Wie Stromsensor-Verstärker den Satellitenzustand überwachen

Woher wissen wir, wie es einem Satelliten im Weltraum von hier auf der Erde aus geht? Erfahren Sie, wie Strommessverstärker oder CSAs ein wesentlicher Bestandteil mehrerer Satellitenüberwachungssysteme sind.

Mehrere kommerzielle Satellitenunternehmen sind mit großen Auswirkungen in den Weltraumsektor eingetreten und haben diese einst weitgehend staatlich finanzierte Aktivität revolutioniert. Diese Unternehmen entwickeln zusammen mit vielen anderen Telekommunikations-Megakonstellationen, robuste Radarnetze und verbesserte optische Bildgebungsplattformen für eine niedrige Erdumlaufbahn, eine mittlere Erdumlaufbahn und eine geostationäre äquatoriale Umlaufbahn.

Diese Missionen haben viele Designer dazu veranlasst, von der Basis von Satellitendesigns auf einfachen diskreten Komponenten wie Operationsverstärkern (Op-Amps) oder Transistoren zu höher integrierten Mikroschaltungen zu wechseln, was Zeit bei Designaufwand, Montage und Test spart.

In diesem Artikel werden wir diskutieren, wie CSAs den Zustand und die Funktionalität von Satellitenstromverteilungssystemen und verschiedenen anderen elektrischen Komponenten überwachen können, indem sie Funktionen wie Power-Rail-Stromüberwachung, Point-of-Load-Erkennung und Motorantriebssteuerung implementieren. Strommessverstärker (CSAs) eignen sich gut für eine Vielzahl von Anwendungen in den elektronischen Systemen eines Satelliten.

Grundlagen von CSAs

Ein CSA ermöglicht sowohl High- als auch Low-Side-Sensordesigns; Sie können das System so konfigurieren, dass es vor oder nach der Last einen Shunt-Widerstand hat (wie in Abbildung 1 gezeigt). ) zur Überwachung auf Anomalien des erwarteten gelieferten Laststroms, wie z. B. ein Überstromereignis.

Abbildung 1. High- und Low-Side-Implementierungen

Tabelle 1 fasst die Kompromisse zwischen High- und Low-Side-Implementierungen zusammen. Beide Konfigurationen haben ihre Vor- und Nachteile, je nachdem, was der Systemdesigner mit dem CSA erreichen möchte.

	High Side	Untere Seite
Implementierung	Differenzielle Eingabe	Einzel- oder Differenzeingang
Anfällig für Bodenstörungen	Nein	Ja
Gemeinsame Spannung	In der Nähe des Angebots	Nah am Boden
Anforderungen an das Ablehnungsverhältnis im Gleichtakt	Höher	Untere
Ladekurzschlusserkennung	Ja	Nein

Tabelle 1. High-Side- vs. Low-Side-Erfassung

Bahnüberwachung

Einer der häufigsten Anwendungsfälle für CSAs in einem Satelliten ist die Überwachung des Haupteingangsstroms der Stromschiene, um Einzelereignistransienten zu erkennen. Die Fähigkeit eines CSA, das Anlegen von Spannungen zu bewältigen, die größer als die Versorgungsspannung an seinen Eingangspins sind, bietet mehr Designflexibilität als herkömmliche Operationsverstärker oder andere diskrete Ansätze, bei denen die Gleichtakteingangspinspannung durch die Versorgungsspannungen des Operationsverstärkers begrenzt ist. Ampere. Wenn Sie einen CSA zur Überwachung der Hauptstromschiene verwenden, können Sie einen Shunt-Widerstand auf der High- oder Low-Seite der Last platzieren. Die High-Side ist normalerweise die bevorzugte Konfiguration bei der Überwachung der Hauptstromschiene, sodass Sie den CSA nutzen können, um Lastkurzschlüsse zum Systemschutz zu erkennen und komplette Systemausfälle zu vermeiden.

Point-of-Load-Erkennung

Es ist möglich, einen CSA zu nutzen, um eine Point-of-Load-Erkennung für Überstromschutz, Systemoptimierung oder Closed-Loop-Feedback durchzuführen. Dies sind alles nützliche Möglichkeiten, um Daten zu wichtigen Systemkomponenten zu sammeln und den Zustand oder den Stromverbrauch bestimmter Systemlasten zu bestimmen . Unter Verwendung der Daten des CSA kann das System datengesteuerte Entscheidungen wie Selbstkalibrierung, Kurzschlusserkennung oder Drosselung des Stromflusses zu Lastkomponenten wie Leistungsverstärkern (PAs) und anderen verschiedenen elektronischen Systemen treffen und den ordnungsgemäßen Betrieb sicherstellen. Die Genauigkeit, der Hochspannungsbereich und der versorgungsspannungsunabhängige Gleichtaktbereich eines CSA machen es möglich, geschäftskritische Komponenten einfacher zu überwachen und den Missionserfolg sicherzustellen.

Überstromschutz

Abbildung 2 zeigt einen üblichen diskreten Aufbau eines mit einem Komparator gekoppelten CSA, der eine definierte Referenzspannung verwendet, um den Auslösepegel einzustellen. In dieser Konfiguration wird der CSA auf der High-Side verwendet und misst die Differenzspannung, die über dem Messwiderstand entsteht. Der CSA sendet die Ausgabe sowohl an den Komparatoreingang als auch an den Analog-Digital-Wandler. Mit dieser Konfiguration kann das System den Strom zur Last kontinuierlich überwachen; Tritt ein unerwartetes Ereignis auf, löst der schnelle Komparator aus und trifft eine datengesteuerte Entscheidung, das System zu drosseln oder herunterzufahren, um einen vollständigen Ausfall zu vermeiden.

Abbildung 2. Diskreter Überstromschutz

Der INA901-SP von Texas Instruments ist ein CSA der Klasse V der Qualified Manufacturers List (QML), der sowohl High- als auch Low-Side-Sensoren mit einer Eingangsspannung von –15 V bis 65 V, einem 50-Krad ( Si) strahlungsgehärtete (RHA) Spezifikation bei niedriger Dosisleistung und Single-Event Latch-up (SEL) Immunität bis zu einem LET_EFF =75 MeV-cm ² /mg SEL. Der INA901-SP trägt dazu bei, die Anzahl der erforderlichen Geräte zu minimieren, um den Zustand der Versorgungsschienen zu überwachen und Satellitensysteme vor einem Überstromereignis zu schützen.

Anwendungen für die Funkfrequenzkommunikation

Kommunikationssysteme sind eine gängige Anwendung für die Point-of-Load-Erkennung, bei der CSAs eine entscheidende Rolle bei der Steuerung des Betriebs der PA über ihre Lebensdauer spielen. Wenn die Kommunikationsausrüstung eines Satelliten Funkwellen ausstrahlt, steuert die Anpassung der Gate-Spannung für den spezifischen Vorspannungspunkt des Transistors in der PA den gelieferten Strom, um die Systemeffizienz zu verbessern. Es gibt zwei Methoden, um den Stromfluss durch den PA zu steuern. Das erste Verfahren, ein Konzept mit offenem Regelkreis, weist einige Nachteile auf, darunter eine feste Steuerspannung für die Vorspannung, die den Einfluss von Versorgungsschwankungen, Gerätealterung und durch Temperaturschwankungen verursachten Schwankungen vernachlässigt. Die zweite Methode ist ein geschlossenes Feedback-Konzept, das einen CSA und mehrere andere Komponenten nutzt, das eine dynamische Steuerung der Bias-Punkte des PA-Transistors ermöglicht, aber zu einer größeren Grundfläche der Leiterplatte führt.

Abbildung 3 ist ein Beispiel für ein geschlossenes System, das den Stromfluss durch den Drain des PA überwacht, die VDD mit einem Busmonitor und den Überstromschutz mit einem Komparator überwacht. Abhängig von Ihren Beschränkungen in Bezug auf Platz auf der Leiterplatte, Kosten, Präzision oder Anzahl der Antennen kann die optimale Methode für die dynamische Steuerung variieren. Die meisten Ansätze beinhalten eine CSA, die als Teil der Feedback-Kette dient, um den Bias anzupassen und die Effizienz zu verbessern.

Abbildung 3. Busspannung, Strom und Überstromrückmeldung

Motorantriebsanwendungen

Bei Motorantriebsanwendungen erzeugt die Motorantriebsschaltung pulsweitenmodulierte (PWM) Signale, um den Betrieb eines Motors präzise zu steuern. Diese modulierten Signale unterliegen der Überwachungsschaltung, die in Reihe mit jeder Motorphase angeordnet ist und die Rückkopplungsinformationen für die Steuerschaltung liefert. Da reale Verstärker (im Gegensatz zu theoretischen Verstärkern) nicht perfekt sind, kann das Versagen des Verstärkers, die großen PWM-gesteuerten Eingangsspannungsschritte der Gleichtaktspannung angemessen zu unterdrücken, den Ausgang beeinträchtigen. Reale Verstärker haben keine unendliche Gleichtaktunterdrückung und unerwünschte Schwankungen treten am Verstärkerausgang entsprechend jeder Eingangsspannungsstufe auf.

Abbildung 4 zeigt ein Beispiel für eine CSA in einer Motorantriebsanwendung. Der rote Verstärker zeigt an, wo ein Inline-CSA im System platziert werden muss. Abbildung 5 zeigt die Ausgaben eines konkurrierenden Geräts, während Abbildung 6 zeigt die Ausgabe des INA240-SEP.

Abbildung 4. Inline-Implementierung von CSAs (nur eine Phase gezeigt)

Abbildung 5. Konkurrierender Geräteausgang vs. PWM-Eingang

Abbildung 6. INA240-SEP-Ausgang vs. PWM-Eingang

Diese Ausgangsschwankungen können ziemlich groß sein und können je nach den Eigenschaften des Verstärkers eine beträchtliche Zeit brauchen, um sich nach dem Eingangsübergang einzupendeln. Die Nutzung der verbesserten PWM-Unterdrückungstechnologie des INA240-SEP trägt zu einer hohen Unterdrückung großer Gleichtakttransienten (ΔV/Δt) in Systemen bei, die PWM-Signale verwenden, was insbesondere bei Motorantriebs- und Magnetspulenanwendungen nützlich ist. Diese Funktion ermöglicht genaue Strommessungen mit reduzierten Transienten und der damit verbundenen Erholungswelligkeit der Ausgangsspannung.

Der INA240-SEP von Texas Instruments ist ein ultrapräzises Gerät, das eine Gleichtaktspannung von –4 V bis 80 V mit einem Verstärkungsfehler von 0,2 %, einer Verstärkungsdrift von 2,5 ppm/°C und einem an Offsetspannung von ±25 μV. Das Gerät ist Teil des strahlungstoleranten Portfolios von TI für Space-Enhanced Plastic (Space EP) bis 30-krad(Si) mit einer SEL-Immunität von bis zu 43 MeV-cm ² /mg bei 125 °C, für Anwendungen im niedrigen Erdorbit.

Schlussfolgerung

Die Strommessung bietet einem System viele Vorteile, darunter optimierte Leistung, verbesserte Zuverlässigkeit und Zustandsüberwachung zum Schutz der Vitalfunktionen des Systems. Da CSAs in Weltraumqualität direkte Messungen mit hochpräzisen Ergebnissen ermöglichen, tragen sie dazu bei, dass Systeme in den rauesten Umgebungen viele Jahre lang korrekt funktionieren. Weitere Weltraumprodukte von Texas Instruments finden Sie unter www.ti.com/applications/industrial/aerospace-defense/overview.html#.

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