电源设计在卫星行业仍具核心竞争力

日期:2011-12-29

  
        作者:David G. Morrison,编辑,How2Power.com

  在通信设备行业中,许多以前内部设计电源系统的公司都外包给了其他厂商。但在这个行业中有一个电源系统设计部分仍然具有核心竞争力,委托给他人对最终产品的成功至关重要。这些公司就是通信领域的卫星制造商。

  他们的设备必须运行在恶劣的环境空间,十多年不会出现导致卫星停机的错误或故障。卫星的电源系统必须在很大程度上优化最高效率和最低功率损耗,最大限度地减少系统的大小和质量。当然,电力电子工程师在这些电源系统的开发中发挥了关键作用,但也要做机械工程师,在封装方面解决相关的散热问题。此外,设计至关重要的是关键组件和工艺工程师,他们限定用于构建电源系统的所有部件和组装技术。因此,卫星设备行业的电力电子工程师要在一个非常协作的环境中工作。

  在这个设计环境,新的电源组件和设计技术在非常有条不紊地采用,只需要实现新的卫星方案或与处理组件报废需求。一个新的电源系统的开发可以是多年的努力,理想的是必须预见到未来的卫星计划需要。尽管这项工作的高可靠性性质和有一长串的应用需求,在这一领域的电源系统设计人员还必须在其设计中运用成本管理。

  能够应对所有这些设计挑战的一位工程师是Robert Lyon,他是领先商业卫星制造商Space Systems/Loral 的系统工程经理,公司总部设在加利福尼亚州帕洛阿尔托。Lyon 以前是SS/L 的超级电源子系统(SPS)架构师,该系统可以产生两倍于该公司卫星的发电量,以满足新的应用需求。Lyon描述的问题是,驱动卫星系统的电源设计表明了在这一领域电力电子工程师一直有很大的机会。

  长寿命、可维护性不足是设计推动力

  Space Systems/Loral 专注于大型地球静止卫星轨道,它在赤道上空约22,000 英里的固定位置。除了广播电视,这些卫星哈用于VSAT(甚小口径终端)应用。这些包括企业对企业应用,如使用VSAT 设备的零售加油站、POS 数据传输等。

  据Lyon 介绍,关于商用、地球静止轨道卫星电源系统的设计要求的讨论是运行寿命问题。Lyon 说:“当我们开始谈论任何卫星的事情时,特别是电源系统,我们认识到,这些东西都预计将持续至少15 年运行在轨道上,并没有能力用保修车去做维修。因此,长寿命、高容错/ 高可靠性要求非常重要。”

  因此,Lyon 说,卫星电源系统设计的第一件事的要有超过15 年的寿命。这包括从产生电力的太阳能电池板到储存电力电子电路的所有电源系统部分。

  但是,如果寿命长是第一优先,质量和热问题紧随其后。Lyon 说:“对于这些应用,火箭只能承载一定量的重量,所以每公斤都是非常昂贵的。因此,有必要确保从质量和热效率的角度看都要非常有效。”

  他补充说,从客户的角度出发,电源系统的开销仅仅是为了运行所需的设备。换句话说,他们希望最大限度地发挥卫星通信硬件的作用,这意味着最大限度地减少电源系统的质量。

  散热问题是多方面的。电源系统组件需要低功耗,高效运作,发热少,从而导致更高的可靠性和使用寿命更长。这特别适用于保持低结温的半导体。然而,由于散热的困难,所有电源系统元件的功耗是一大问题。

  例如,由于设备在真空中运作,对流散热不是一种好的选择,电子设备产生的热量必须散发到外壳以外。最后,机械设计变得对电源系统电气设计的性能非常重要。

  Lyon 认为:“有时候人们忘记了,每个电气设计都是机械设计。机械工程师与电气工程师同样关键,在某些情况下,你可能会说所谓的成功源于电子装置的研制。虽然电子产品设计人员正在努力使功率元件尽可能有效地运作,但机械设计师也在解决如何摆脱这些组件产生的热量。”Lyon 还注意到,在系统级,卫星的热量可能是限制系统整体性能的关键因素之一。

  关于散热Lyon 解释说:“他们[ 机械工程师] 使用非常轻质的结构,因为我们需要低质量,我们需要确保东西尽可能紧凑。但在同一时间,我们需要确保所有宽容限UPS 不会造成任何干扰。另一个要考虑的是冲击和振动。我们有动态的环境。当电源放在火箭卫星上时,这和在一辆凯迪拉克中完全不一样。”

  辐射的影响

  虽然机械设计对电源系统至关重要,但空间环境仍然构成了显著的电气设计挑战,包括那些通常不会在地球上出现的电源系统设计挑战。据Lyon 说,最大的区别就是辐射。辐射对电子元器件的影响使得它具有挑战性,因为要满足15 年的寿命要求。

  辐射加速了老化和漂移过程。因此,组件特别是有源半导体器件,离开装配生产线的组件有严密规范的初始公差,运行在卫星的组件将经历更广泛的变化。这些广泛的公差必须在电气设计中考虑,以满足卫星的长寿命目标。

  当然,这意味着设计师必须进行广泛的最坏情况下的电子分析。尽管事实上电子产品(包括电力电子)使用了抗辐射组件设计。

  抗辐射元件需求是值得注意的几个原因。其一,它说明卫星电源系统的设计的主要环境挑战之一。但是,这也有助于解释这些电源系统的开发设计环境。电源系统设计人员可能只选择了通过验证过程的元件,在这些设计中元件和工艺工程师发挥了作用。

  Lyon 说:“我们有一个购买零部件和采购的基础设施,并可确保它们是合格的。我们不只是依靠设计工程师找到太空合格的元件,我们有很多厂商可以提供合格的元件。所以,电源系统设计人员需要有设计可用的材料。在人员方面,基础设施既广泛又专业。我们有很多的工程师。我们将与供应商的电阻专家、电容器专家、集成电路专家一起工作,以确保合格的元件。如果所需的功率元件是商用元件(不是空间合格),这些工程师将进行认证,以证明适合太空飞行。

  除了组件工程师,还有空间系统工程师,该公司雇用了工艺工程师,他们的工作也影响了电源系统的设计。例如,工艺工程师开发应用热化合物和封装印刷电路板技术。

  除了组件和流程,一旦电源系统组件的进行了设计和制造,他们也要有严格的开发和认证过程。Lyon 认为这些质量保证程序是非常必要的。

  Lyon 说:“我们每年制造约7 个卫星,出了工厂大门,我们的可靠性判断对我们非常重要,为的是确保卫星的零缺陷,100%的良率元件安装在卫星上。所有这一切都有助于解释为什么卫星电源系统的设计要在内部构建。

  一般来说,这意味着使用IC 和分立元件,而不是一些厂商的电源模块的板级设计。一个可能的例外,根据Lyon 说,将可能购买辅助设备,如照相机使用的模块电源。

  Lyon 解释说:“我们不外包我们的电源设计,因为电源系统被认为是我们公司的核心竞争力。”

  为解释这一点,Lyon 说,“我们公司专门从事的事情之一是生产高功率卫星。因此,工程师熟悉这些[ 电源系统] 设计,知道什么是最坏的情况下的分析,并可确保它们能满足我们的可靠性标准(而不是别人的),这对我们来说非常重要。”

  要了解更多关于卫星电源系统的设计,可以看这篇文章在线版本的其他材料。这个材料的讨论包括卫星的功率水平和备用电源功能,以及电源系统的设计周期。

  作者简介

  David G. Morrison 是How2Power.com 的编辑,该网站旨在加速电源设计的信息搜索。Morrison 也是How-2Power Today 的编辑,它是报道电力电子行业的电源转换设计技术、新的电源组件和职业机会的免费每月通信。订阅电子报请访问www.how-2power.com/newsletters/

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