ZHCT896A April 2023 – February 2025 TPS7H5001-SP , TPS7H5002-SP , TPS7H5003-SP , TPS7H5004-SP , TPS7H5005-SEP , TPS7H5006-SEP , TPS7H5007-SEP , TPS7H5008-SEP , TPS7H6003-SP
衛(wèi)星行業(yè)中本地數(shù)據(jù)處理需求的急劇增長、對更高吞吐量通信鏈路的支持以及對電力推進(jìn)系統(tǒng)的快速采用不斷要求電力系統(tǒng) (EPS) 顯著提高性能。EPS 是衛(wèi)星總線部分的一部分，可提供結(jié)構(gòu)支撐并容納電源、熱管理、通信和推進(jìn)等子系統(tǒng)。EPS 可生成、存儲和調(diào)節(jié)電力，并將其分配給衛(wèi)星上的所有其他子系統(tǒng)和有效載荷。
太空任務(wù)存在各種獨(dú)特的挑戰(zhàn)和限制，要求優(yōu)化尺寸、重量和功率 (SWaP)。SWaP 在衛(wèi)星設(shè)計中如此重要的原因如下：
- 任務(wù)要求：數(shù)據(jù)傳輸速率、分辨率和靈敏度等方面不斷提高的要求會影響衛(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（每公斤 1,000 至 10,000 美元，具體取決于預(yù)期軌道）。
- 發(fā)電：衛(wèi)星通常依賴于太陽能電池板，電池板的尺寸和重量限制了發(fā)電量。發(fā)電容量還會影響電池等元件的重量和尺寸，以及配電和熱管理等功能。
- 運(yùn)營效率：SWaP 優(yōu)化使衛(wèi)星能夠在太空中更高效地運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)更高的性能和更長的任務(wù)壽命。
由于電源是衛(wèi)星上最有價值的資源之一，盡可能提高 EPS 效率有助于延長任務(wù)壽命，減少質(zhì)量和體積，并更大限度地減少熱管理開銷。
除了效率之外，由于電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的數(shù)量較多，EPS 還必須處理各種電壓和電流。圖 1 展示了部分最為常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
圖 1 衛(wèi)星電源架構(gòu)中的常見電源拓?fù)?/span>典型衛(wèi)星 EPS 的元件和功能如 圖 2 所示：
- 太陽能電池板（或能源發(fā)電）：太陽能電池板是大多數(shù)衛(wèi)星的主要電源。
- 電池（或電量存儲）：電池可存儲太陽能電池板在白天產(chǎn)生的多余電量，并在日食期間或太陽能電池板沒有產(chǎn)生足夠電量的情況下為衛(wèi)星供電。
- 電源調(diào)節(jié)單元 (PCU)：PCU 可調(diào)節(jié)太陽能電池板和電池的電氣輸出，為衛(wèi)星的其余部分提供穩(wěn)定且一致的電壓和電流。
- 配電單元 (PDU)：PDU 可將太陽能電池板和電池產(chǎn)生的電力分配到衛(wèi)星上的各種子系統(tǒng)和有效載荷處。
- 備用電源：如果主 EPS 出現(xiàn)故障，備用電源將有助于維持最基本的功能，直到主系統(tǒng)恢復(fù)。
圖 2 典型衛(wèi)星 EPS設(shè)計人員可以將脈寬調(diào)制 (PWM) 控制器與柵極驅(qū)動器和硅制 MOSFET 或 GaN FET 相結(jié)合，解決衛(wèi)星系統(tǒng)中的 SWaP 設(shè)計難題。此方法支持為 EPS 系統(tǒng)的不同部分開發(fā)優(yōu)化的電源。
開發(fā) EPS 時，設(shè)計人員可以從各種電壓和電流電平耐輻射半橋 GaN FET 柵極驅(qū)動器中進(jìn)行選擇，這些驅(qū)動器可擴(kuò)展到衛(wèi)星的整個 EPS 電源樹中?？捎玫钠骷?TPS7H6003-SP (200V)、TPS7H6013-SP (60V)、TPS7H6023-SP (22V)（100krad TID、75MeV?cm2/mg SEL 抗擾度）和抗輻射 TPS7H6005-SEP (200V)、TPS7H6015-SEP (60V)、TPS7H6025-SEP (22V)（50krad TID、43 MeV?cm2/mg SEL 抗擾度）。這些柵極驅(qū)動器支持多種不同的電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和輸入格式，可提高設(shè)計靈活性。
此外、設(shè)計人員還可以使用 PWM 控制器，例如耐輻射 TPS7H5001-SP 和抗輻射 TPS7H5005-SEP PWM 控制器，這些控制器旨在支持多種不同的電源實(shí)現(xiàn)。
TI 開發(fā)了以下參考設(shè)計，以幫助工程師處理各種電源電路中的航天級 PWM 控制器和 GaN FET 柵極驅(qū)動器，不僅包括 EPS，還包括部分有效載荷應(yīng)用：
- 非隔離式高壓降壓設(shè)計
- 采用 300W 非隔離式同步降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使用上述 PWM 控制器和柵極驅(qū)動器，支持 50V 至 150V 輸入和 28YV 輸出。
- 此設(shè)計經(jīng)過優(yōu)化，可在衛(wèi)星將電力傳輸?shù)?EPS 子系統(tǒng)的電池存儲部分之前，調(diào)節(jié) 100V 太陽能電池板的高度可變輸出。
- TI 參考套件示例：PMP23552
- 隔離式全橋設(shè)計
- 采用 100W 隔離式同步硬開關(guān)全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，支持 22V 至 36V 輸入和 5V 輸出，并在功率級中使用 GaN FET。
- 此設(shè)計旨在作為電源調(diào)節(jié)和分配單元 (PCDU) 的示例。這種器件架構(gòu)可支持許多實(shí)現(xiàn)方式和輸出電壓，例如“電源設(shè)計小貼士 #134：以簡便方式實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)變；通過 PWM 全橋?qū)崿F(xiàn) ZVS”文章中所述的零電壓開關(guān) (ZVS) 全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
- TI 參考套件示例：PMP23200
- 其他資源：用戶指南：“采用 TPS7H5001-SP 的 28V 至 5V、10A 反激式轉(zhuǎn)換器設(shè)計”。
- 非隔離式高電流多相降壓設(shè)計
- 此設(shè)計在多相同步降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中使用 PWM 控制器和柵極驅(qū)動器，以支持 11V 至 14V 的輸入和 0.8V 的輸出，也同樣在功率級中使用了 GaN FET。該設(shè)計為雙相實(shí)現(xiàn)，能夠支持 80A 電流，同時保持可接受的直流和交流容差。
- 設(shè)計人員可以將設(shè)計擴(kuò)展到更多相位，以便滿足特定設(shè)計要求，例如為一些高級現(xiàn)場可編程門陣列、ASIC 或多核處理器的內(nèi)核軌供電所需的高電流（100A 以上）和低輸入電壓（低于 0.8V）。
- TI 參考套件示例：TIDA-010958
- 其他資源：“采用 TPS7H5001-SP 控制器的 12V VIN 至 1V VOUT 單相降壓轉(zhuǎn)換器”應(yīng)用說明
結(jié)語
由于電源是衛(wèi)星上最有價值的資源之一，EPS 架構(gòu)會對整體設(shè)計產(chǎn)生重大影響。TI 久經(jīng)考驗的抗輻射 PWM 控制器系列可提供高效率，并支持各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及可部署在各種任務(wù)和軌道中的架構(gòu)。
其他資源
- 請查看 TI 航天產(chǎn)品指南、電子器件輻射手冊和航天器電路設(shè)計手冊。
- 歡迎觀看我們的點(diǎn)播式在線研討會“衛(wèi)星應(yīng)用的 SIMPLIS 中的反激式電源轉(zhuǎn)換器建?；A(chǔ)知識”。
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