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衛星健康:航太級積體電路如何改善遙測電路設計

  • 李佳玲台北

德州儀器的航太級產品系列,包括航太級類比與嵌入式處理器產品,可為遙測電路提供體積小、低功耗的解決方案,量測結果準確度與整體系統效能皆能確保整趟航太任務期間運作順暢。TI提供
德州儀器的航太級產品系列,包括航太級類比與嵌入式處理器產品,可為遙測電路提供體積小、低功耗的解決方案,量測結果準確度與整體系統效能皆能確保整趟航太任務期間運作順暢。TI提供

由於執行航太任務的衛星於發射後就無法接取,因此,取得準確的遙測資料、監控衛星子系統運作狀態有助於建立基礎線,來確認系統是否順利運作,若資料波動即表示可能出現問題。

射頻(RF)功率放大器與熱電冷卻器就是敏感元件中需要準確監控電壓、溫度與電流的例子。在這兩個應用情境中,效能因溫度與輻射效應而波動,需調整電壓與電流,以確保運作效率與安全。遙測電路負責監控關鍵系統供電軌道與元件、蒐集效能資料(對現在和未來衛星設計皆有價值),並據以調整系統設定。

圖1:遙測電路方塊圖 類比前端(綠)、處理(紅)與輸出訊號(藍)。TI

圖1:遙測電路方塊圖 類比前端(綠)、處理(紅)與輸出訊號(藍)。TI

遙測電路最重要的區塊(如圖1所示)為感測供電軌道與溫度的類比前端(AFE),這是分析資料與輸出調整不同系統參數所需訊號最主要的處理器。

類比前端的電壓、電流與溫度感測

類比前端(AFE)負責監控遙測電路三大重要數值:電壓、電流與溫度。為了量測與詮釋這些數值,需使用類比轉數位轉換器(ADC)將這些數值轉換為數位資料,再傳輸至處理器。

ADC128S102QML-SP具備準確量測電壓、電流與溫度必須的12位元解析度與1 MSPS以上的採樣速度(ADC128S102QML-SP已用於航太任務中長達十年時間),且耗電量低,使用3V與5V電源時分別為2.3mW至10.7mW,因此,是類比前端理想的選擇。

然而,取決於類比轉數位轉換器所監控的三大數值,其前端仍須有其他必要元件才能確保運作順暢。

衛星系統的電壓可高達40V,且包括負電壓軌。這些高電壓軌可能造成類比轉數位轉換器感測功能損壞,因此需使用緩衝與衰減階段逐漸調降電壓,以保護類比轉數位轉換器。電阻分壓器可先將電壓降至類比轉數位轉換器的輸入範圍內。

設計師接著再以運算放大器,如LMP7704-SP,做為緩衝,確保訊號的驅動強度。LMP7704-SP的增益頻寬亦佳,可達2.5MHz,輸入與輸出皆可軌到軌;這表示在使類比轉數位轉換器的全刻度範圍達到最大的同時,可將對準確度的影響降至最小。

將電阻分壓器與LMP7704-SP搭配使用,可將40V偏壓供電軌道的電壓範圍轉譯至較低尺度。例如,使用十比一的電阻分壓器,40V輸入電壓緩衝後可對應至4V輸出電壓。

電流感測可判斷敏感供電軌道是否出現任何故障,並向主要處理器提出警示、標記須關閉的供電軌道、預防現場可編程邏輯閘陣列(FPGA)或資料轉換器損壞。蒐集而得的電流資料有助於判斷系統裝置消耗的電流是否高於預期,指出可能因輻射導致閂鎖效應。

INA901-SP電流感測放大器的寬頻寬可提供準確電流量測結果,用於建立供電軌道的基線,同時,若有突發狀況(如短路)亦可快速反應。

裝置或電路板的溫度量測結果有助於判斷元件是否正常運作。過熱可以當作FPGA或電源模組因壓力過大導致裝置運行時間減少的重要指標。其他裝置如射頻功率放大器對溫度波動相當敏感,需適當調整電壓以因應溫度變化。

為量測這些裝置的溫度,TMP461-SP數位輸出溫度感測器可提供本地或遠距溫度感測,監控FPGA與高速資料轉換器等敏感裝置的積體內部溫度二極體。除了感測這些二極體,TMP461-SP亦包括可量測其電路板上位置溫度的內部感測器。將裝置放置於敏感元件旁邊,例如射頻功率放大器等,即能用TMP461-SP監控元件溫度。

處理遙測資料:FPGA與MCU的比較

為處理類比前端資料、控制衛星遙測電路,有兩個可用選項:使用FPGA或微控制器(MCU)。通常遙測電路使用FPGA進行通訊、處理遙測資料,且幾乎不需要與系統其他部份通訊,也幾乎可以獨立運作。

FPGA支援更多AFE通道輸入資料、快速資料轉譯,並根據輸入資料進行複雜決策。然而,在尺寸規格與耗電量需越小越好的應用情境下,多數航太級FPGA封裝與耗電量是較大的。

混合訊號MCU如MSP430FR5969-SP是理想替代方案,有助於減少FPGA使用資源與遙測電路所需針腳,同時為遙測電路提供相等的功能性,如資料處理、電源排序、脈衝寬度調變輸出等。MSP430FR5969-SP亦具備積體鐵電隨機存取記憶體(FRAM),此類記憶體相較於雙數據速率(DDR)等傳統記憶體類型較能抵禦輻射效應。

系統再校準

讀取系統量測結果後,遙測電路可調整不同系統功能,進行系統再教準,維持系統最適運作狀態。

若主要處理器認為出現故障,可關閉元件或切換其運作模式。針對需要精準控制與驅動強度的應用,外部數位轉類比轉換器如DAC121S101QML-SP可準確調整射頻功率放大器等系統元件的偏壓。

結論

德州儀器的航太級產品系列,包括航太級類比與嵌入式處理器產品,可為遙測電路提供體積小、低功耗的解決方案,量測結果準確度與整體系統效能皆能確保整趟航太任務期間運作順暢。