NEST141A April 2023 – February 2025 TPS7H5001-SP , TPS7H5002-SP , TPS7H5003-SP , TPS7H5004-SP , TPS7H5005-SEP , TPS7H5006-SEP , TPS7H5007-SEP , TPS7H5008-SEP , TPS7H6003-SP
在衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)中，由於對本地資料處理需求的急劇增加、對更高吞吐量通訊鏈路的支援以及電力推進(jìn)系統(tǒng)的迅速採用，這些變化推動對更高性能電源系統(tǒng) (EPS) 的需求。EPS 是衛(wèi)星匯流排區(qū)段的一部分，提供結(jié)構(gòu)支撐和外殼子系統(tǒng)，例如電力、散熱管理、通訊和推進(jìn)。EPS 產(chǎn)生、儲存、調(diào)節(jié)和分配電力到衛(wèi)星上的所有其他子系統(tǒng)和有效負(fù)載。
由於太空任務(wù)的獨(dú)特挑戰(zhàn)和種種限制，因此必須對尺寸、重量與功率 (SWaP) 進(jìn)行最佳化。以下是 SWaP 在衛(wèi)星設(shè)計(jì)中如此重要的部分原因：
- 任務(wù)要求：資料傳輸速率、解析度和靈敏度等不斷增加的要求會影響衛(wèi)星的 SWaP 要求。
- 發(fā)射限制：衛(wèi)星有尺寸限制、重量限制和發(fā)射成本限制，根據(jù)預(yù)定軌道，這些限制可能是每公斤 1,000 美元到 10,000 美元。
- 發(fā)電：衛(wèi)星通常依賴於太陽能電池板，而電池板的尺寸和重量則限制發(fā)電量。發(fā)電能力還會影響元件（例如電池）的重量和尺寸，以及配電和散熱管理等功能。
- 運(yùn)作效率：SWaP 最佳化使衛(wèi)星能夠在太空中更有效率地運(yùn)作，進(jìn)而獲得更好的性能和更長的任務(wù)壽命。
由於電力是衛(wèi)星上最寶貴的資源之一，因此大幅提高 EPS 效率有助於延長任務(wù)壽命、減少質(zhì)量和體積，並大幅減少散熱管理開銷。
除了效率之外，由於電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的數(shù)量眾多，EPS 還必須處理各種電壓和電流。圖 1 顯示一些最常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
圖 1 衛(wèi)星電源架構(gòu)中常見的電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)典型衛(wèi)星 EPS 的元件和功能如 圖 2 所示：
- 太陽能電池板（或發(fā)電）：太陽能電池板是大多數(shù)衛(wèi)星的主要電源。
- 電池（或儲能）：電池在白天儲存太陽能電池板產(chǎn)生的多餘電力，並在日食期間或太陽能電池板無法產(chǎn)生足夠電力時為衛(wèi)星提供電力。
- 電力調(diào)節(jié)單元 (PCU)：PCU 調(diào)節(jié)太陽能電池板和電池的電力輸出，為衛(wèi)星的其餘部分提供穩(wěn)定一致的電壓和電流。
- 配電單元 (PDU)：PDU 將太陽能電池板和電池產(chǎn)生的電力分配給衛(wèi)星上的各個子系統(tǒng)和有效負(fù)載。
- 備用電源：如果主要 EPS 發(fā)生故障，備用電源將有助於維持最基本的功能，直到主要系統(tǒng)恢復(fù)。
圖 2 典型的衛(wèi)星 EPS設(shè)計(jì)人員可以透過將脈衝寬度調(diào)變 (PWM) 控制器與閘極驅(qū)動器以及矽 MOSFET 或 GaN FET 結(jié)合來解決衛(wèi)星系統(tǒng)中的 SWaP 設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。此方法可為 EPS 系統(tǒng)不同部分開發(fā)最佳化電源供應(yīng)器。
開發(fā) EPS 時，設(shè)計(jì)人員可從各種電壓和電流位準(zhǔn)抗輻射半橋 GaN FET 閘極驅(qū)動器中進(jìn)行選擇，這些驅(qū)動器可以擴(kuò)展到衛(wèi)星的整個 EPS 電源樹中?？捎醚b置包括 TPS7H6003-SP (200V)、TPS7H6013-SP (60V)、TPS7H6023-SP (22V)（100 krad TID、75 MeV?cm2/mg SEL 耐受）和耐輻射 TPS7H6005-SEP (200V)、TPS7H6015-SEP (60V)、TPS7H6025-SEP (22V)（50 krad TID、43 MeV?cm2/mg SEL 耐受）。這些閘極驅(qū)動器支援多種不同的電源供應(yīng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與輸入格式，可提供設(shè)計(jì)彈性。
此外，設(shè)計(jì)人員也可使用專為支援各種不同電源供應(yīng)實(shí)作而設(shè)計(jì)的 PWM 控制器，例如輻射強(qiáng)化 TPS7H5001-SP 和耐輻射 TPS7H5005-SEP 等PWM 控制器。
TI 開發(fā)了下列參考設(shè)計(jì)，以協(xié)助工程師在各種電源供應(yīng)電路中，使用航太級 PWM 控制器和 GaN FET 閘極驅(qū)動器，不僅在 EPS 中，也在特定負(fù)載應(yīng)用中：
- 非隔離式高電壓降壓設(shè)計(jì)
- 採用 300W 非隔離同步降壓拓?fù)?，使用上?PWM 控制器和閘極驅(qū)動器，支援 50V 至 150V 輸入與 28YV 輸出。
- 此設(shè)計(jì)非常適合在衛(wèi)星將電力輸送至 EPS 子系統(tǒng)的電池儲存部分之前調(diào)節(jié) 100-V 太陽能板的高度可變輸出。
- TI 參考套件範(fàn)例：PMP23552
- 隔離式全橋設(shè)計(jì)
- 採用 100W 隔離式同步硬開關(guān)全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，支援 22V 至 36V 輸入和 5V 輸出，並在功率級中使用 GaN FET。
- 此設(shè)計(jì)旨在作為電源調(diào)節(jié)和配電單元 (PCDU) 的範(fàn)例。透過此裝置架構(gòu)，便可實(shí)現(xiàn)許多實(shí)作和輸出電壓，例如文章中概述的零電壓開關(guān) (ZVS) 全橋拓?fù)浼軜?gòu)：「用電訣竅 134：不要採用艱難的方式進(jìn)行切換；以 PWM 全橋?qū)崿F(xiàn) ZVS」。
- TI 參考套件範(fàn)例： PMP23200
- 其他資源：使用指南「採用 TPS7H5001-SP 的 28-V 至 5-V、10-A 返馳式轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)」。
- 非隔離高電流多相降壓設(shè)計(jì)
- 此設(shè)計(jì)採用多相同步降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的 PWM 控制器和閘極驅(qū)動器，支援 11V 至 14V 的輸入和 0.8V 的輸出，並在功率級再次使用 GaN FET。此設(shè)計(jì)為雙相實(shí)作，可支援 80A，同時維持可接受的 DC 與 AC 容差。
- 設(shè)計(jì)人員可將設(shè)計(jì)延伸至更多相位，協(xié)助符合為部分進(jìn)階現(xiàn)場可編程邏輯閘陣列、ASIC 或多核心處理器核心軌供電所需的高電流 (100A+) 與低輸入電壓（低於 0.8 V）等設(shè)計(jì)需求。
- TI 參考套件範(fàn)例：TIDA-010958
- 其他資源：應(yīng)用說明「使用 TPS7H5001-SP 控制器的 12 VIN 至 1 VOUT 單相降壓轉(zhuǎn)換器」。
結(jié)論
由於電力是衛(wèi)星上最寶貴的資源之一，EPS 架構(gòu)可以對整體設(shè)計(jì)產(chǎn)生重大影響。TI 經(jīng)過輻射驗(yàn)證的 PWM 控制器系列具備高效率並支援廣泛的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，並提供可部署在各種任務(wù)和軌道中的架構(gòu)。
其他資源
- 查看 TI 航太產(chǎn)品指南、電子輻射手冊和太空船電路設(shè)計(jì)手冊。
- 觀看我們的隨選網(wǎng)路研討會：SIMPLIS 中衛(wèi)星應(yīng)用返馳電源轉(zhuǎn)換器建模的基本知識。
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