Come ottimizzare dimensioni, peso e potenza (SWaP) dei sistemi di alimentazione impiegati nei satelliti di nuova generazione

Componenti specifici e progetti di riferimento aiutano i progettisti di satelliti di nuova generazione ad ottenere la massima efficienza dei sistemi di alimentazione di bordo per prolungare la durata delle missioni, ridurre la massa e il volume e limitare il sovraccarico di gestione termica.

Nell’industria dei satelliti, la crescente richiesta di elaborazione locale, il supporto per collegamenti di comunicazione a velocità più elevate e la rapida adozione di sistemi di propulsione elettrica stanno spingendo la domanda di sistemi di alimentazione (EPS, electrical power systems) con prestazioni sempre più elevate. L’EPS fa parte della sezione bus di un satellite, fornendo supporto strutturale e alloggiando sottosistemi come alimentazione, gestione termica, comunicazione e propulsione. L’EPS genera, immagazzina, regola e distribuisce energia a tutti gli altri sottosistemi e carichi utili a bordo del satellite.

Le sfide e i vincoli unici delle missioni spaziali richiedono l’ottimizzazione di dimensioni, peso e potenza (SWaP, size, weight and power). Ecco alcuni dei motivi per cui i requisiti SWaP rappresentano uno degli aspetti cruciali nella progettazione dei satelliti:

• Requisiti di missione: requisiti come la velocità di trasmissione dei dati, la risoluzione e la sensibilità possono influire sui requisiti SWaP di un satellite.
• Limiti di lancio: i satelliti hanno vincoli di dimensioni, vincoli di peso e vincoli di costo di lancio che possono essere compresi tra 10 e 1.000 dollari per chilogrammo in base all’orbita prevista.
• Produzione di energia: i satelliti generalmente si basano su pannelli solari e le dimensioni e il peso dei pannelli limitano la quantità di energia generata. La capacità di generazione di energia influisce anche sul peso e sulle dimensioni dei componenti, come le batterie, e su funzioni come la distribuzione dell’energia e la gestione termica.
• Efficienza operativa: l’ottimizzazione SWaP consente ai satelliti di operare in modo più efficiente nello spazio, con migliori prestazioni e una maggiore durata della missione.

Poiché l’energia è una delle risorse più preziose per un satellite, massimizzare l’efficienza dell’EPS può aiutare a prolungare la durata delle missioni, ridurre la massa e il volume e ridurre al minimo il sovraccarico di gestione termica.

Oltre all’efficienza, un EPS deve anche gestire un’ampia gamma di tensioni e correnti a causa del numero di topologie di alimentazione. La Figura 1 mostra alcune delle topologie più comuni.

I componenti e le funzioni, mostrati in Figura 2, di un tipico EPS satellitare sono:

• Pannelli solari (o generazione di energia): i pannelli solari sono la principale fonte di energia per la maggior parte dei satelliti.
• Batteria (o accumulo di energia): la batteria immagazzina l’energia in eccesso generata dai pannelli solari durante le ore diurne e fornisce energia al satellite durante un’eclissi o quando i pannelli solari non generano energia sufficiente.
• Unità di condizionamento dell’energia (PCU): la PCU regola l’uscita elettrica dei pannelli solari e della batteria per fornire una tensione e una corrente stabili e costanti al resto del satellite.
• Unità di distribuzione dell’alimentazione (PDU): la PDU distribuisce l’energia generata dai pannelli solari e dalla batteria ai vari sottosistemi e carichi utili a bordo del satellite.
• Alimentazione di backup: se l’EPS primario si guasta, un alimentatore di backup aiuterà a mantenere le funzioni essenziali fino al ripristino del sistema primario.

Per ottimizzare la progettazione SWaP in questi tipi di sistemi è consigliabile l’impiego di controller PWM (pulse-width modulation). Ad esempio, le famiglie di controllori resistenti alle radiazioni TPS7H5001-SP (100 krad TID, 75 MeV⋅cm²/mg) e tolleranti alle radiazioni TPS7H5005-SEP (da 30 a 50 krad TID, 43 MeV⋅cm²/mg) consentono l’impiego di un’architettura di alimentazione comune per molti dei circuiti in un EPS attraverso una serie di missioni diverse e orbite diverse.

Per aiutare gli ingegneri a ottimizzare lo SWaP nel loro sistema di alimentazione satellitare, i seguenti progetti di riferimento utilizzano controller PWM di livello spaziale in vari circuiti di alimentazione attraverso il satellite, non solo nell’EPS, ma anche su determinate schede di carico utile:

• Design flyback isolato:
  • Una topologia flyback sincrona isolata da 100 W che supporta un ingresso da 22 V a 36 V con un’uscita di 5 V e utilizza FET GaN nello stadio di potenza.
  • Questo design è ottimizzato per topologie di alimentazione che richiedono solo una singola uscita.
• Design buck a doppia fase ad alta corrente non isolato:
  • Questo design utilizza il controller TPS7H5001-SP in una topologia buck sincrona monofase che supporta un ingresso da 11 V a 14 V con un’uscita di 1 V e utilizza FET GaN nello stadio di potenza. Il design è in grado di supportare 20 A e mantenere una stretta tolleranza DC e AC.
  • È possibile estendere questo progetto a una soluzione multifase ottimizzata per i progetti di carico utile che richiedono corrente elevata (>50 A) e basse tensioni di ingresso (inferiori a 1 V) per alimentare i core rail di alcuni FPGA e CPU multicore.
• Design buck ad alta tensione non isolato:
  • Una topologia buck sincrona non isolata da 200 W che supporta un ingresso da 50 V a 150 V con un’uscita di 28 V, utilizzando tutti dispositivi e MOSFET resistenti alle radiazioni.
  • Questo design è ottimizzato per regolare l’uscita dei pannelli solari da 100 V prima che il satellite trasferisca l’energia alla parte di accumulo della batteria di un sottosistema EPS.

Conclusione

Poiché l’energia è una delle risorse più preziose su un satellite, l’architettura EPS può avere un impatto significativo sul progetto complessivo. Le famiglie di controller PWM resistenti alle radiazioni di Texas Instruments forniscono un’elevata efficienza e supportano un’ampia gamma di topologie, oltre a un’architettura implementabile in una serie diversificata di missioni e orbite.

Texas Instruments mette a disposizione dei progettisti di sistemi spaziali le seguenti ulteriori risorse:

• Guida ai prodotti spaziali Texas Instruments
• Manuale sulle radiazioni
• Manuale sulla progettazione di circuiti spaziali

Kurt Eckles è Senior technical product marketing manager presso Texas Instruments.