CSA如何監(jiān)控衛(wèi)星健康狀況和功能

幾家商業(yè)衛(wèi)星公司已進(jìn)入太空領(lǐng)域并產(chǎn)生重大影響，徹底改變了這一一度主要由政府資助的活動(dòng)。這些公司與許多其他公司一起，正在為低地球軌道、中地球軌道和地球靜止赤道軌道開(kāi)發(fā)電信巨型星座、強(qiáng)大的雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)和增強(qiáng)型光學(xué)成像平臺(tái)。

這些任務(wù)促使許多設(shè)計(jì)人員從基于簡(jiǎn)單分立元件（例如運(yùn)算放大器 （op-amp） 或晶體管）的衛(wèi)星設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向更高度集成的微電路，這有助于節(jié)省設(shè)計(jì)工作、組裝和測(cè)試的時(shí)間。

在本文中，我們將討論 CSA 如何通過(guò)實(shí)施電源軌電流監(jiān)控、負(fù)載點(diǎn)檢測(cè)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制等功能來(lái)監(jiān)控衛(wèi)星配電系統(tǒng)和各種其他電氣組件的健康狀況和功能。電流檢測(cè)放大器 （CSA） 非常適合整個(gè)衛(wèi)星電子系統(tǒng)的各種應(yīng)用。

CSA 的基礎(chǔ)知識(shí)

CSA 支持高端和低端傳感設(shè)計(jì)；您可以將系統(tǒng)配置為在負(fù)載之前或之后配備一個(gè)分流電阻器（如圖 1所示），以監(jiān)控預(yù)期傳送的負(fù)載電流中的異常情況，例如過(guò)流事件。

圖 1. 高端和低端實(shí)現(xiàn)

表 1 總結(jié)了高端和低端實(shí)現(xiàn)的權(quán)衡。兩種配置都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，具體取決于系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員希望通過(guò) CSA 實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。

鐵路監(jiān)控

衛(wèi)星中 CSA 最常見(jiàn)的用例之一是監(jiān)控主電源軌輸入電流以檢測(cè)單事件瞬變。與傳統(tǒng)運(yùn)算放大器或其他分立方法相比，CSA 能夠處理大于電源電壓的電壓應(yīng)用到其輸入引腳，從而提供更大的設(shè)計(jì)靈活性，在傳統(tǒng)運(yùn)算放大器或其他分立方法中，共模輸入引腳電壓受運(yùn)算放大器的電源電壓限制。放大器 使用 CSA 監(jiān)控主電源軌時(shí)，您可以在負(fù)載的高側(cè)或低側(cè)放置一個(gè)分流電阻器。在監(jiān)控主電源軌時(shí)，高壓側(cè)通常是首選設(shè)置，因此您可以利用 CSA 檢測(cè)負(fù)載短路以保護(hù)系統(tǒng)并幫助避免完全系統(tǒng)故障。

負(fù)載點(diǎn)檢測(cè)

可以利用 CSA 執(zhí)行負(fù)載點(diǎn)檢測(cè)以進(jìn)行過(guò)流保護(hù)、系統(tǒng)優(yōu)化或閉環(huán)反饋，這些都是收集有關(guān)重要系統(tǒng)組件的數(shù)據(jù)并確定特定系統(tǒng)負(fù)載的健康狀況或功耗的有用方法。 使用來(lái)自 CSA 的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可以做出數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的決策，例如自校準(zhǔn)、短路檢測(cè)或節(jié)流到負(fù)載組件（如功率放大器 （PA） 和其他各種電子系統(tǒng)）的電流，并確保正常運(yùn)行。CSA 的精度、高電壓范圍和獨(dú)立于電源電壓的共模范圍可以更輕松地監(jiān)控關(guān)鍵任務(wù)組件并幫助確保任務(wù)成功。

過(guò)流保護(hù)

圖 2顯示了 CSA 與比較器耦合的常見(jiàn)分立設(shè)置，使用定義的參考電壓來(lái)設(shè)置跳閘電平。在此配置中，CSA 用于高端并測(cè)量檢測(cè)電阻器兩端產(chǎn)生的差分電壓。CSA 將輸出發(fā)送到比較器輸入和模數(shù)轉(zhuǎn)換器。通過(guò)這種配置，系統(tǒng)可以持續(xù)監(jiān)測(cè)到負(fù)載的電流；如果發(fā)生意外事件，快速比較器將觸發(fā)并做出數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的決定來(lái)限制或關(guān)閉系統(tǒng)以避免完全故障。

圖 2. 分立式過(guò)流保護(hù)

德州儀器 （TI）的INA901-SP是合格制造商列表 （QML） V 類(lèi)空間級(jí) CSA，能夠進(jìn)行高端和低端檢測(cè)，輸入電壓范圍為 –15 V 至 65 V，50 krad （ Si） 低劑量率下的抗輻射 （RHA） 規(guī)范，以及高達(dá) LET EFF = 75 MeV-cm 2 /mg SEL 的單事件閂鎖 （SEL） 抗擾度。INA901-SP 有助于最大限度地減少監(jiān)控電源軌健康和保護(hù)衛(wèi)星系統(tǒng)免受過(guò)流事件所需的設(shè)備數(shù)量。

射頻通信應(yīng)用

通信系統(tǒng)是負(fù)載點(diǎn)檢測(cè)的常見(jiàn)應(yīng)用，其中 CSA 在控制 PA 的整個(gè)生命周期的運(yùn)行方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。當(dāng)衛(wèi)星的通信設(shè)備廣播無(wú)線電波時(shí)，調(diào)整 PA 中晶體管特定偏置點(diǎn)的柵極電壓可控制傳輸?shù)碾娏?，以幫助提高系統(tǒng)效率。有兩種方法可以控制流過(guò) PA 的電流。第一種方法是開(kāi)環(huán)概念，它有一些缺點(diǎn)，包括偏置的固定控制電壓，它忽略了電源變化、器件老化和溫度波動(dòng)引起的波動(dòng)的影響。第二種方法是利用 CSA 和其他幾個(gè)組件的封閉反饋概念，

圖 3是閉環(huán)系統(tǒng)監(jiān)控流經(jīng) PA 漏極的電流、使用總線監(jiān)控器監(jiān)控 VDD 以及使用比較器進(jìn)行過(guò)流保護(hù)的示例。根據(jù)您對(duì)電路板空間、成本、精度或天線數(shù)量的限制，動(dòng)態(tài)控制的最佳方法可能會(huì)有所不同。大多數(shù)方法都包含一個(gè) CSA 作為反饋鏈的一部分，以調(diào)整偏差并提高效率。

圖 3. 總線電壓、電流和過(guò)流反饋

電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生脈寬調(diào)制 （PWM） 信號(hào)以精確控制電機(jī)的運(yùn)行。這些調(diào)制信號(hào)受制于與每個(gè)電機(jī)相位對(duì)齊的監(jiān)控電路，監(jiān)控電路為控制電路提供反饋信息。由于實(shí)際放大器（與理論放大器相反）并不完美，放大器未能充分抑制共模電壓的大 PWM 驅(qū)動(dòng)輸入電壓階躍可能會(huì)影響輸出。現(xiàn)實(shí)世界中的放大器沒(méi)有無(wú)限共模抑制，在放大器輸出端會(huì)出現(xiàn)與每個(gè)輸入電壓階躍相對(duì)應(yīng)的不希望有的波動(dòng)。

圖 4顯示了電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中的 CSA 示例。紅色放大器指示在系統(tǒng)中放置內(nèi)聯(lián) CSA 的位置。圖 5顯示了競(jìng)爭(zhēng)器件的輸出，而圖 6顯示了INA240-SEP的輸出。

圖 4. CSA 的內(nèi)聯(lián)實(shí)現(xiàn)（僅顯示了一個(gè)階段）

圖 5. 競(jìng)爭(zhēng)器件輸出與 PWM 輸入

圖 6. INA240-SEP 輸出與 PWM 輸入

這些輸出波動(dòng)可能相當(dāng)大，并且根據(jù)放大器的特性，在輸入轉(zhuǎn)換之后可能需要很長(zhǎng)時(shí)間才能穩(wěn)定下來(lái)。利用 INA240-SEP 中的增強(qiáng)型 PWM 抑制技術(shù)有助于為使用 PWM 信號(hào)的系統(tǒng)中的大共模瞬變 （ΔV/Δt） 提供高水平的抑制，這在電機(jī)驅(qū)動(dòng)和螺線管應(yīng)用中尤其有用。此功能可在輸出電壓上減少瞬變和相關(guān)恢復(fù)紋波的情況下實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的電流測(cè)量。

德州儀器 （TI） 的 INA240-SEP 是一款超精密器件，能夠提供 –4V 至 80V 的共模電壓，增益誤差為 0.2%，增益漂移為 2.5 ppm/°C，并且±25 μV 的失調(diào)電壓。該器件是 TI空間增強(qiáng)型塑料 （Space EP）耐輻射產(chǎn)品組合的一部分，耐輻射達(dá) 30-krad（Si），在 125°C 時(shí)具有高達(dá) 43 MeV-cm 2 /mg 的SEL 抗擾度，適用于低地球軌道應(yīng)用。

結(jié)論

電流感應(yīng)為系統(tǒng)提供了許多好處，包括優(yōu)化性能、提高可靠性和狀態(tài)監(jiān)測(cè)以保護(hù)系統(tǒng)生命體征。由于航天級(jí) CSA 能夠以高度準(zhǔn)確的結(jié)果進(jìn)行直接測(cè)量，因此它們可以幫助系統(tǒng)在最?lèi)毫拥沫h(huán)境中正確運(yùn)行多年。如需更多德州儀器航天產(chǎn)品，請(qǐng)?jiān)L問(wèn) www.ti.com/applications/industrial/aerospace-defense/overview.html#。

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