Как усилители измерения тока отслеживают состояние спутников

Как мы узнаем, что делает спутник в космосе отсюда, на Земле? Узнайте, как усилители измерения тока или CSA являются важной частью нескольких систем спутникового мониторинга.

Несколько коммерческих спутниковых компаний вошли в космический сектор с большим влиянием, произведя революцию в этой, когда-то в значительной степени финансируемой государством деятельности. Эти компании, наряду со многими другими, разрабатывают телекоммуникационные мегагонки, надежные радиолокационные сети и усовершенствованные платформы для получения оптических изображений для низкой околоземной орбиты, средней околоземной орбиты и геостационарной экваториальной орбиты.

Эти задачи побудили многих разработчиков отказаться от создания спутниковых конструкций на простых дискретных компонентах, таких как операционные усилители (операционные усилители) или транзисторы, в пользу более высокоинтегрированных микросхем, что помогает сэкономить время при проектировании, сборке и тестировании. P>

В этой статье мы обсудим, как CSA могут контролировать состояние и функциональность спутниковых систем распределения электроэнергии и различных других электрических компонентов, реализуя такие функции, как мониторинг тока в шине питания, обнаружение точки нагрузки и управление моторным приводом. Усилители измерения тока (CSA) хорошо подходят для самых разных приложений в электронных системах спутника.

Основы CSA

CSA позволяет использовать конструкции датчиков как с высокой, так и с нижней стороны; вы можете настроить систему так, чтобы она имела шунтирующий резистор до или после нагрузки (как показано на Рис. 1 ) для отслеживания аномалий в ожидаемом доставленном токе нагрузки, например, перегрузки по току.

Рисунок 1. Реализации высокого и низкого уровня

Таблица 1 суммирует компромиссы между реализациями высокой и низкой стороны. Обе конфигурации имеют свои преимущества и недостатки, в зависимости от того, чего разработчик системы хочет достичь с помощью CSA.

	Высокая сторона	Низкая сторона
Реализация	Дифференциальный ввод	Одиночный или дифференциальный вход
Восприимчивость к заземлению	Нет	Да
Общее напряжение	Близко к поставке	Близко к земле
Требования к коэффициенту отклонения синфазного сигнала	Выше	Нижний
Обнаружение короткого замыкания загрузки	Да	Нет

Таблица 1. Измерение верхней и нижней стороны

Мониторинг железных дорог

Одним из наиболее распространенных вариантов использования CSA на спутнике является мониторинг входного тока основной шины питания для обнаружения переходных процессов, возникающих в результате единичных событий. Способность CSA справляться с приложением напряжений, превышающих напряжение питания на его входных контактах, предлагает большую гибкость конструкции, чем традиционные операционные усилители или другие дискретные подходы, где синфазное входное напряжение на контакте ограничено напряжениями питания операционной системы. усилитель При использовании CSA для контроля основной шины питания вы можете разместить шунтирующий резистор на стороне высокого или низкого напряжения нагрузки. Сторона высокого напряжения обычно является предпочтительной настройкой при мониторинге основной шины питания, поэтому вы можете использовать CSA для обнаружения коротких замыканий в нагрузке для защиты системы и предотвращения полных сбоев системы.

Обнаружение точки нагрузки

CSA можно использовать для обнаружения точки нагрузки для защиты от перегрузки по току, оптимизации системы или обратной связи с обратной связью, которые являются полезными способами сбора данных о жизненно важных компонентах системы и определения состояния или энергопотребления конкретных системных нагрузок. . Используя данные из CSA, система может принимать решения на основе данных, такие как самокалибровка, обнаружение короткого замыкания или регулирование потока тока к компонентам нагрузки, таким как усилители мощности (PA) и другие различные электронные системы, и обеспечивать правильную работу. Точность CSA, диапазон высокого напряжения и диапазон синфазных сигналов, не зависящий от напряжения питания, позволяют упростить мониторинг критически важных компонентов и помогают обеспечить успех миссии.

Защита от перегрузки по току

Рисунок 2 показывает обычную дискретную настройку CSA, соединенного с компаратором, с использованием определенного опорного напряжения для установки уровня срабатывания. В этой конфигурации CSA используется на стороне высокого напряжения и измеряет дифференциальное напряжение, возникающее на измерительном резисторе. CSA отправляет выходной сигнал как на вход компаратора, так и на аналого-цифровой преобразователь. При такой конфигурации система может непрерывно контролировать ток нагрузки; при возникновении непредвиденного события быстрый компаратор сработает и на основе данных примет решение о дросселировании или выключении системы, чтобы избежать полного отказа.

Рисунок 2. Дискретная максимальная токовая защита

INA901-SP от Texas Instruments входит в список квалифицированных производителей (QML) CSA космического класса класса V, способный измерять как верхнюю, так и нижнюю стороны, с входным напряжением в диапазоне от –15 В до 65 В, 50 крад ( Si) характеристики радиационной стойкости (RHA) при низкой мощности дозы и невосприимчивость к однократному событию (SEL) вплоть до LET _EFF =75 МэВ-см ² / мг SEL. INA901-SP помогает свести к минимуму количество устройств, необходимых для контроля состояния питающей шины и защиты спутниковых систем от перегрузки по току.

Приложения радиочастотной связи

Системы связи - это обычное приложение для обнаружения точек нагрузки, где CSA играют жизненно важную роль в управлении работой PA в течение его срока службы. Когда оборудование спутниковой связи передает радиоволны, регулировка напряжения затвора для конкретной точки смещения транзистора в PA управляет подаваемым током, чтобы помочь повысить эффективность системы. Есть два метода управления током, протекающим через PA. Первый метод, концепция разомкнутого контура, имеет несколько недостатков, включая фиксированное управляющее напряжение для смещения, которое не учитывает влияние изменений питания, старения устройства и колебаний, вызванных колебаниями температуры. Второй метод - это концепция закрытой обратной связи, использующая CSA и несколько других компонентов, что позволяет динамически управлять точками смещения транзистора PA, но приводит к увеличению занимаемой площади печатной платы.

Рисунок 3 представляет собой пример замкнутой системы, контролирующей ток, протекающий через сток усилителя мощности, мониторинг VDD с помощью монитора шины и защиту от перегрузки по току с помощью компаратора. В зависимости от ваших ограничений, касающихся места на плате, стоимости, точности или количества антенн, оптимальный метод динамического управления может варьироваться. Большинство подходов включают CSA, служащую частью цепочки обратной связи для корректировки предвзятости и повышения эффективности.

Рисунок 3. Обратная связь по напряжению, току и перегрузке по шине

Приложения для моторных приводов

В приложениях с моторным приводом схема драйвера двигателя генерирует сигналы с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) для точного управления работой двигателя. Эти модулированные сигналы подвергаются контрольной схеме, расположенной в соответствии с каждой фазой двигателя, которая передает информацию обратной связи для схемы управления. Поскольку реальные усилители (в отличие от теоретических усилителей) не идеальны, неспособность усилителя адекватно подавлять большие скачки входного напряжения синфазного напряжения, управляемые ШИМ, может повлиять на выходной сигнал. Реальные усилители не имеют бесконечного подавления синфазного сигнала, и на выходе усилителя появляются нежелательные флуктуации, соответствующие каждому шагу входного напряжения.

Рисунок 4 показывает пример CSA в приложении с моторным приводом. Красный усилитель указывает, где разместить встроенный CSA в системе. Рисунок 5 показаны выходы конкурирующего устройства, а на рисунке 6 показывает выходные данные INA240-SEP.

Рисунок 4. Встроенная реализация CSA (показан только один этап)

Рисунок 5. Конкурирующий выход устройства и вход ШИМ

Рисунок 6. Выход INA240-SEP и вход ШИМ

Эти колебания выходного сигнала могут быть довольно большими и, в зависимости от характеристик усилителя, могут потребовать значительного времени для урегулирования после входного перехода. Использование усовершенствованной технологии подавления ШИМ в INA240-SEP помогает обеспечить высокий уровень подавления больших синфазных переходных процессов (ΔV / Δt) в системах, использующих сигналы ШИМ, что особенно полезно в двигателях и соленоидах. Эта функция обеспечивает точные измерения тока с уменьшением переходных процессов и связанных с ними пульсаций восстановления выходного напряжения.

INA240-SEP от Texas Instruments - это сверхточное устройство, способное создавать синфазное напряжение от –4 до 80 В с ошибкой усиления 0,2%, дрейфом усиления 2,5 ppm / ° C и напряжение смещения ± 25 мкВ. Устройство входит в портфолио TI из пластика Space-Enhanced Plastic (Space EP), устойчивого к излучению до 30-крад (Si), с невосприимчивостью к SEL до 43 МэВ-см ² / мг при 125 ° C для приложений на низкой околоземной орбите.

Заключение

Измерение тока дает системе множество преимуществ, включая оптимизированную производительность, повышенную надежность и мониторинг состояния для защиты жизненно важных функций системы. Поскольку CSA космического класса позволяют проводить прямые измерения с очень точными результатами, они помогают системам правильно работать в течение многих лет в самых суровых условиях. Дополнительную информацию о космической продукции Texas Instruments см. На сайте www.ti.com/applications/industrial/aerospace-defense/overview.html#.

Отраслевые статьи - это форма контента, позволяющая отраслевым партнерам делиться полезными новостями, сообщениями и технологиями с читателями All About Circuits, что не подходит для редакционного контента. Все отраслевые статьи подлежат строгим редакционным правилам с целью предлагать читателям полезные новости, технические знания или истории. Точки зрения и мнения, выраженные в отраслевых статьях, принадлежат партнеру, а не обязательно All About Circuits или ее авторам.