Comment les amplificateurs à détection de courant surveillent la santé des satellites

Comment savons-nous comment se porte un satellite dans l'espace à partir d'ici sur Terre ? Découvrez comment les amplificateurs de détection de courant ou les CSA sont un élément crucial de plusieurs systèmes de surveillance par satellite.

Plusieurs sociétés commerciales de satellites sont entrées dans le secteur spatial avec un impact majeur, révolutionnant cette activité autrefois largement financée par le gouvernement. Ces sociétés, ainsi que de nombreuses autres, développent des méga-constellations de télécommunications, des réseaux radar robustes et des plates-formes d'imagerie optique améliorées pour l'orbite terrestre basse, l'orbite terrestre moyenne et l'orbite équatoriale géostationnaire.

Ces missions ont conduit de nombreux concepteurs à délaisser les conceptions de satellites sur des composants discrets simples tels que des amplificateurs opérationnels (amplificateurs opérationnels) ou des transistors en faveur de microcircuits plus intégrés, ce qui permet de gagner du temps dans les efforts de conception, d'assemblage et de test.

Dans cet article, nous expliquerons comment les CSA peuvent surveiller la santé et la fonctionnalité des systèmes de distribution d'énergie par satellite et de divers autres composants électriques en mettant en œuvre des fonctionnalités telles que la surveillance du courant du rail d'alimentation, la détection du point de charge et le contrôle du moteur. Les amplificateurs de détection de courant (CSA) conviennent parfaitement à une grande variété d'applications dans les systèmes électroniques d'un satellite.

Bases des CSA

Un CSA permet à la fois des conceptions de détection côté haut et côté bas ; vous pouvez configurer le système pour avoir une résistance shunt avant ou après la charge (comme indiqué dans la Figure 1 ) pour surveiller les anomalies dans le courant de charge fourni attendu, telles qu'un événement de surintensité.

Figure 1. Implémentations haut et bas

Tableau 1 résume les compromis des implémentations high-side et low-side. Les deux configurations ont leurs avantages et leurs inconvénients, selon ce que le concepteur du système cherche à accomplir avec le CSA.

	High Side	Côté bas
Mise en œuvre	Entrée différentielle	Entrée simple ou différentielle
Susceptible aux perturbations du sol	Non	Oui
Tension commune	Proche de l'approvisionnement	Proche du sol
Exigences relatives au taux de rejet en mode commun	Supérieur	Inférieur
Détection de charge courte	Oui	Non

Tableau 1. Détection côté haut contre côté bas

Surveillance ferroviaire

L'un des cas d'utilisation les plus courants des CSA dans un satellite consiste à surveiller le courant d'entrée du rail d'alimentation principal pour détecter les transitoires à événement unique. La capacité d'un CSA à gérer l'application de tensions supérieures à la tension d'alimentation à ses broches d'entrée offre une plus grande flexibilité de conception que les amplificateurs opérationnels traditionnels ou d'autres approches discrètes, où la tension des broches d'entrée en mode commun est liée par les tensions d'alimentation de l'op- ampli. Lorsque vous utilisez un CSA pour surveiller le rail d'alimentation principal, vous pouvez placer une résistance shunt sur le côté haut ou bas de la charge. Le côté haut est généralement la configuration préférée lors de la surveillance du rail d'alimentation principal, vous pouvez donc utiliser le CSA pour détecter les courts-circuits de charge pour la protection du système et aider à éviter les pannes complètes du système.

Détection du point de charge

Il est possible de tirer parti d'un CSA pour effectuer une détection de point de charge pour la protection contre les surintensités, l'optimisation du système ou la rétroaction en boucle fermée, qui sont tous des moyens utiles de collecter des données sur les composants vitaux du système et de déterminer la santé ou la consommation d'énergie de charges système particulières . En utilisant les données du CSA, le système peut prendre des décisions basées sur les données telles que l'auto-étalonnage, la détection de court-circuit ou la limitation du flux de courant pour charger des composants tels que des amplificateurs de puissance (PA) et d'autres systèmes électroniques divers et assurer un fonctionnement correct. La précision, la plage de haute tension et la plage de mode commun indépendante de la tension d'alimentation d'un CSA permettent de surveiller plus facilement les composants critiques et contribuent à assurer le succès de la mission.

Protection contre les surintensités

Figure 2 montre une configuration discrète commune d'un CSA couplé à un comparateur, utilisant une tension de référence définie pour définir le niveau de déclenchement. Dans cette configuration, le CSA est utilisé sur le côté haut et mesure la tension différentielle développée aux bornes de la résistance de détection. Le CSA envoie la sortie à la fois à l'entrée du comparateur et au convertisseur analogique-numérique. Avec cette configuration, le système peut surveiller en permanence le courant vers la charge ; si un événement inattendu se produit, le comparateur rapide se déclenchera et prendra une décision basée sur les données d'étrangler ou d'arrêter le système pour éviter une défaillance complète.

Figure 2. Protection contre les surintensités discrètes

L'INA901-SP de Texas Instruments est un CSA de classe V de classe V de la liste des fabricants qualifiés (QML) capable de détecter à la fois le côté haut et le côté bas, avec une tension d'entrée allant de –15 V à 65 V, un 50 krad ( Si) spécification garantie contre les rayonnements (RHA) à un faible débit de dose et immunité au verrouillage à événement unique (SEL) jusqu'à un LET_EFF =75 MeV-cm ² /mg SEL. L'INA901-SP permet de minimiser le nombre d'appareils requis pour surveiller l'état du rail d'alimentation et protéger les systèmes satellites d'un événement de surintensité.

Applications de communication radiofréquence

Les systèmes de communication sont une application courante pour la détection de point de charge, où les CSA jouent un rôle vital dans le contrôle du fonctionnement de l'AP tout au long de sa durée de vie. Lorsque l'équipement de communication d'un satellite diffuse des ondes radio, le réglage de la tension de grille pour le point de polarisation spécifique du transistor dans le PA contrôle le courant délivré pour aider à améliorer l'efficacité du système. Il existe deux méthodes pour contrôler le flux de courant à travers le PA. La première méthode, un concept en boucle ouverte, présente quelques inconvénients, notamment une tension de commande fixe pour la polarisation, qui ne tient pas compte de l'impact des variations d'alimentation, du vieillissement de l'appareil et des fluctuations causées par les variations de température. La deuxième méthode est un concept de rétroaction fermée exploitant un CSA et plusieurs autres composants, ce qui permet un contrôle dynamique des points de polarisation du transistor PA mais se traduit par une plus grande empreinte de carte de circuit imprimé.

Figure 3 est un exemple de système en boucle fermée surveillant le flux de courant à travers le drain du PA, surveillant le VDD avec un moniteur de bus et une protection contre les surintensités avec un comparateur. En fonction de vos contraintes d'espace sur la carte, de coût, de précision ou de nombre d'antennes, la méthode optimale de contrôle dynamique peut varier. La plupart des approches incluent un CSA pour faire partie de la chaîne de rétroaction afin d'ajuster le biais et d'améliorer l'efficacité.

Figure 3. Retour de tension, de courant et de surintensité du bus

Applications à moteur

Dans les applications d'entraînement par moteur, le circuit d'entraînement par moteur génère des signaux à modulation de largeur d'impulsion (PWM) pour contrôler avec précision le fonctionnement d'un moteur. Ces signaux modulés sont soumis aux circuits de surveillance placés en ligne avec chaque phase du moteur, qui fournissent des informations de retour pour le circuit de commande. Étant donné que les amplificateurs du monde réel (par opposition aux amplificateurs théoriques) sont loin d'être parfaits, l'échec de l'amplificateur à rejeter de manière adéquate les grandes étapes de tension d'entrée pilotées par PWM de la tension de mode commun peut affecter la sortie. Les amplificateurs du monde réel n'ont pas de réjection de mode commun infinie et des fluctuations indésirables apparaissent à la sortie de l'amplificateur correspondant à chaque échelon de tension d'entrée.

Figure 4 montre un exemple de CSA dans une application de motorisation. L'amplificateur rouge indique où placer un CSA en ligne dans le système. Figure 5 montre les sorties d'un appareil concurrent, tandis que la Figure 6 montre la sortie de l'INA240-SEP.

Figure 4. Implémentation en ligne des CSA (une seule phase illustrée)

Figure 5. Sortie d'appareil concurrent par rapport à l'entrée PWM

Figure 6. Sortie INA240-SEP contre entrée PWM

Ces fluctuations de sortie peuvent être assez importantes et, selon les caractéristiques de l'amplificateur, peuvent mettre un temps considérable à s'installer après la transition d'entrée. L'exploitation de la technologie de rejet PWM améliorée de l'INA240-SEP permet de fournir des niveaux élevés de suppression des transitoires de mode commun (ΔV/Δt) importants dans les systèmes qui utilisent des signaux PWM, ce qui est particulièrement utile dans les applications d'entraînement de moteur et de solénoïde. Cette fonctionnalité permet des mesures de courant précises avec des transitoires réduits et une ondulation de récupération associée sur la tension de sortie.

L'INA240-SEP de Texas Instruments est un appareil ultra-précis capable d'une tension de mode commun de –4-V à 80-V avec une erreur de gain de 0,2%, une dérive de gain de 2,5 ppm/°C et un tension de décalage de ±25 V. L'appareil fait partie de la gamme de TI Space-Enhanced Plastic (Space EP) tolérant aux radiations jusqu'à 30 krad(Si), avec une immunité SEL jusqu'à 43 MeV-cm ² /mg à 125°C, ciblant les applications en orbite terrestre basse.

Conclusion

La détection de courant offre de nombreux avantages à un système, notamment des performances optimisées, une fiabilité améliorée et une surveillance de l'état pour protéger les éléments vitaux du système. Parce que les CSA de classe spatiale permettent des mesures directes avec des résultats très précis, ils aident les systèmes à fonctionner correctement pendant de nombreuses années dans les environnements les plus difficiles. Pour plus de produits spatiaux Texas Instruments, voir www.ti.com/applications/industrial/aerospace-defense/overview.html#.

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