ZHCT896A April 2023 – February 2025 TPS7H5001-SP , TPS7H5002-SP , TPS7H5003-SP , TPS7H5004-SP , TPS7H5005-SEP , TPS7H5006-SEP , TPS7H5007-SEP , TPS7H5008-SEP , TPS7H6003-SP
衛星行業中本地數據處理需求的急劇增長、對更高吞吐量通信鏈路的支持以及對電力推進系統的快速采用不斷要求電力系統 (EPS) 顯著提高性能。EPS 是衛星總線部分的一部分，可提供結構支撐并容納電源、熱管理、通信和推進等子系統。EPS 可生成、存儲和調節電力，并將其分配給衛星上的所有其他子系統和有效載荷。
太空任務存在各種獨特的挑戰和限制，要求優化尺寸、重量和功率 (SWaP)。SWaP 在衛星設計中如此重要的原因如下：
- 任務要求：數據傳輸速率、分辨率和靈敏度等方面不斷提高的要求會影響衛星的 SWaP 要求。
- 發射限制：衛星有尺寸限制、重量限制和發射成本限制（每公斤 1,000 至 10,000 美元，具體取決于預期軌道）。
- 發電：衛星通常依賴于太陽能電池板，電池板的尺寸和重量限制了發電量。發電容量還會影響電池等元件的重量和尺寸，以及配電和熱管理等功能。
- 運營效率：SWaP 優化使衛星能夠在太空中更高效地運行，從而實現更高的性能和更長的任務壽命。
由于電源是衛星上最有價值的資源之一，盡可能提高 EPS 效率有助于延長任務壽命，減少質量和體積，并更大限度地減少熱管理開銷。
除了效率之外，由于電源拓撲結構的數量較多，EPS 還必須處理各種電壓和電流。圖 1 展示了部分最為常見的拓撲結構。
圖 1 衛星電源架構中的常見電源拓撲典型衛星 EPS 的元件和功能如 圖 2 所示：
- 太陽能電池板（或能源發電）：太陽能電池板是大多數衛星的主要電源。
- 電池（或電量存儲）：電池可存儲太陽能電池板在白天產生的多余電量，并在日食期間或太陽能電池板沒有產生足夠電量的情況下為衛星供電。
- 電源調節單元 (PCU)：PCU 可調節太陽能電池板和電池的電氣輸出，為衛星的其余部分提供穩定且一致的電壓和電流。
- 配電單元 (PDU)：PDU 可將太陽能電池板和電池產生的電力分配到衛星上的各種子系統和有效載荷處。
- 備用電源：如果主 EPS 出現故障，備用電源將有助于維持最基本的功能，直到主系統恢復。
圖 2 典型衛星 EPS設計人員可以將脈寬調制 (PWM) 控制器與柵極驅動器和硅制 MOSFET 或 GaN FET 相結合，解決衛星系統中的 SWaP 設計難題。此方法支持為 EPS 系統的不同部分開發優化的電源。
開發 EPS 時，設計人員可以從各種電壓和電流電平耐輻射半橋 GaN FET 柵極驅動器中進行選擇，這些驅動器可擴展到衛星的整個 EPS 電源樹中。可用的器件包括 TPS7H6003-SP (200V)、TPS7H6013-SP (60V)、TPS7H6023-SP (22V)（100krad TID、75MeV?cm2/mg SEL 抗擾度）和抗輻射 TPS7H6005-SEP (200V)、TPS7H6015-SEP (60V)、TPS7H6025-SEP (22V)（50krad TID、43 MeV?cm2/mg SEL 抗擾度）。這些柵極驅動器支持多種不同的電源拓撲結構和輸入格式，可提高設計靈活性。
此外、設計人員還可以使用 PWM 控制器，例如耐輻射 TPS7H5001-SP 和抗輻射 TPS7H5005-SEP PWM 控制器，這些控制器旨在支持多種不同的電源實現。
TI 開發了以下參考設計，以幫助工程師處理各種電源電路中的航天級 PWM 控制器和 GaN FET 柵極驅動器，不僅包括 EPS，還包括部分有效載荷應用：
- 非隔離式高壓降壓設計
- 采用 300W 非隔離式同步降壓拓撲結構，使用上述 PWM 控制器和柵極驅動器，支持 50V 至 150V 輸入和 28YV 輸出。
- 此設計經過優化，可在衛星將電力傳輸到 EPS 子系統的電池存儲部分之前，調節 100V 太陽能電池板的高度可變輸出。
- TI 參考套件示例：PMP23552
- 隔離式全橋設計
- 采用 100W 隔離式同步硬開關全橋拓撲結構，支持 22V 至 36V 輸入和 5V 輸出，并在功率級中使用 GaN FET。
- 此設計旨在作為電源調節和分配單元 (PCDU) 的示例。這種器件架構可支持許多實現方式和輸出電壓，例如“電源設計小貼士 #134：以簡便方式實現轉變；通過 PWM 全橋實現 ZVS”文章中所述的零電壓開關 (ZVS) 全橋拓撲結構。
- TI 參考套件示例：PMP23200
- 其他資源：用戶指南：“采用 TPS7H5001-SP 的 28V 至 5V、10A 反激式轉換器設計”。
- 非隔離式高電流多相降壓設計
- 此設計在多相同步降壓拓撲結構中使用 PWM 控制器和柵極驅動器，以支持 11V 至 14V 的輸入和 0.8V 的輸出，也同樣在功率級中使用了 GaN FET。該設計為雙相實現，能夠支持 80A 電流，同時保持可接受的直流和交流容差。
- 設計人員可以將設計擴展到更多相位，以便滿足特定設計要求，例如為一些高級現場可編程門陣列、ASIC 或多核處理器的內核軌供電所需的高電流（100A 以上）和低輸入電壓（低于 0.8V）。
- TI 參考套件示例：TIDA-010958
- 其他資源：“采用 TPS7H5001-SP 控制器的 12V VIN 至 1V VOUT 單相降壓轉換器”應用說明
結語
由于電源是衛星上最有價值的資源之一，EPS 架構會對整體設計產生重大影響。TI 久經考驗的抗輻射 PWM 控制器系列可提供高效率，并支持各種拓撲結構以及可部署在各種任務和軌道中的架構。
其他資源
- 請查看 TI 航天產品指南、電子器件輻射手冊和航天器電路設計手冊。
- 歡迎觀看我們的點播式在線研討會“衛星應用的 SIMPLIS 中的反激式電源轉換器建模基礎知識”。
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