בחירת רכיבי ספקי כוח לניו ספייס

רכיבי ספקי כוח, כגון ממירי DC/DC, לקונסטלציות לוויינים צריכים להיות עמידים, קטנים ורב-תכליתיים.

לוויינים במסלול גאוסטציונרי (GEO) נתונים לסביבה קשה יותר בשל פלזמה, אלקטרונים לכודים, חלקיקים סולאריים וקרינה קוסמית, כאשר עוצמת ההשפעה הסביבתית גבוהה יותר בהשוואה למסלול נמוך סביב כדור הארץ (LEO) בנטייה נמוכה, למסלול LEO קוטבי ולמסלול ISS (תחנת החלל הבינלאומית). זו הסיבה העיקרית לכך שספקי הכוח המשמשים בלוויינים אלה צריכים לעמוד בתקני MIL מחמירים בתחומי התכן, יכולת הייצור והאיכות.

לוויינים ב-GEO מקיפים את כדור הארץ בתוך כ-24 שעות, במהירות של כ-3 ק"מ לשנייה ובגובה של כ-35,786 ק"מ. קיימים רק שלושה לוויינים עיקריים שיכולים לכסות את כדור הארץ כולו, שכן לוויינים אלה נמצאים במרחק רב מכדור הארץ.

לשם השוואה, לוויינים ב-LEO נעים סביב כדור הארץ במהירות של 7.8 ק"מ לשנייה בגובה של פחות מ-1,000 ק"מ, אך הם עשויים להימצא גם בגובה נמוך של 160 ק"מ בלבד מעל כדור הארץ. גובה זה נמוך יותר בהשוואה ל-GEO, אך עדיין גבוה פי יותר מ-10 מגובה הטיסה של מטוס מסחרי, העומד על 14 ק"מ.

מנה מייננת כוללת (TID) ואפקטים של אירוע בודד (SEE) הם מההיבטים המרכזיים שספקי כוח בחלל צריכים לתת להם מענה. לוויינים הממוקמים במסלולי GEO נתונים לתנאי קרינה קשים יותר בהשוואה ללוויינים במסלולי LEO.

מאחר שמסלול GEO רחוק יותר מכדור הארץ, הוא חשוף יותר לקרינה, ולכן הרכיבים בספקי הכוח של לווייני GEO צריכים להיות מוקשחים לקרינה (rad-hard) כבר בתכנון, כלומר כל הרכיבים חייבים לעמוד בדרישות המנה המייננת הכוללת (TID) וה-SEE, עד ‎100 Krad‏ ו-‎82 MeV cm2/mg‏.

לשם השוואה, רכיבי לווייני LEO צריכים להיות עמידים לקרינה (RT), עם דרישות TID ו-SEE נמוכות יחסית. עם זאת, היעדר מיגון מפני תנאים קשים אלה עלול לגרום לכשל.

אף שניתן להשתמש בלוויינים בודדים להדמיה ברזולוציה גבוהה יותר, בדרך כלל קונסטלציות של מספר רב של לוויינים קטנים יחסית, זהים או דומים, יוצרות רשת סביב כדור הארץ כדי לספק כיסוי רציף. באמצעות פעולה משולבת, קונסטלציות אלה מספקות כיסוי בו-זמני ליישומים כגון שירותי אינטרנט ותקשורת.

הופעת הניו ספייס אפשרה שיגור של לוויינים קטנים רבים יותר, בעלי מטענים קלים יותר, למטרות מסחריות. שירותי האינטרנט הלווייני מתחרים באופן הדרגתי ועקבי בפס הרחב המסורתי, ומספקים קישוריות אמינה יותר לאזורים מרוחקים, לכלי רכב נוסעים ואפילו לתעשיית התעופה והחלל.

איור 2: השוואה בין מסלולי GEO ו-LEO (מקור: סוכנות החלל האירופית)

יכולת הגדרת תצורה להתאמה אישית

יכולת הגדרת התצורה של ספקי כוח היא גורם חשוב לעמידה במגוון מפרטי משימה. רמות המתח באפיק ההזנה החשמלי מתוקננות בדרך כלל לערכים מסוימים; עם זאת, המתח של מערך התאים הסולאריים אינו תמיד מתוקנן. מצב זה מחייב תכנון מחדש של כל הממירים בתת-מערכות ההספק בהתאם לאופי המשימה.

תכנון מחדש זה מגדיל את העלויות ואת זמן הפיתוח. לכן, חשוב במיוחד לספק לאורך כל ארכיטקטורת ההספק ממירי DC/DC לצד ווסתים בעלי מפל מתח נמוך (LDO), בעלי מפרטים סטנדרטיים, ובה בעת גמישות להתאמה אישית בהתאם למתחי המערכת והעומס. פונקציות כגון חיבור במקביל, סנכרון וחיבור בטור הן בעלות חשיבות עליונה בספקי כוח כאשר בוחנים את המפרטים של משימות חלל שונות.

גודל, משקל, הספק ועלות

בשל הנפח הזמין המוגבל והמשימה עתירת המשאבים של שיגור עצמים לחלל כנגד כוח הכבידה, הכרחי להגיע לטביעת רגל קטנה יותר, לגודל (נפח) קטן יותר ולמשקל נמוך יותר, ובה בעת לדחוס יותר הספק (kW) בנפח הנתון. מצב זה מחייב צפיפות הספק גבוהה יותר לניצול מיטבי של המקום ונצילות גבוהה יותר (> 80%) כדי להפיק את מרב הביצועים מהמשאבים הזמינים במערכת ההספק.

ויסות העומס צריך להיות מיטבי כדי להבטיח שיציאת ממיר ה-DC/DC תזין את השלב הבא (LDO, עומסים ישירים) בהתאם לדרישות הוויסות. בנוסף, הסבולות של הוויסות לשינויי טמפרטורה הן מפתח להשגת חוסן ועמידות לאורך זמן.

לווייני חלל משתמשים באנרגיה סולארית כמקור העיקרי להזנת העומסים שלהם. חלק ממתחי האפיק הנפוצים הם ‎28 V‏, ‎50 V‏, ‎72 V‏, ‎100 V‏ ו-‎120 V‏. ממיר DC/DC ממיר מתחים אלה למתחים משניים כגון ‎3.3 V‏, ‎5 V‏, ‎12V‏ , ‎15 V‏ ו-‎28 V‏. מתחי האפיק המשניים מומרים בהמשך למתחים שמישים כגון ‎0.8 V‏, ‎1.2 V‏ ו-‎1.5 V‏ בעזרת רכיבי נקודת עומס כגון LDO, להזנת המיקרו-בקרים (MCU) ומערכי השערים הניתנים לתכנות בשטח (FPGA) המפעילים את העומסים בחללית.

איור 3: ארכיטקטורת הספק פשוטה ליישומי לוויינים, המבוססת על סדרת SA50-120 הסטנדרטית והמוקשחת לקרינה של Microchip, ממירי הספק DC/DC בהספק ‎50-W‏ (מקור: ‎Microchip Technology Inc.‎)

השפעות סביבתיות בחלל

סביבת החלל כוללת גורמים כגון פלזמה סולארית, פרוטונים, אלקטרונים, קרינה קוסמית גלקטית ויונים מהתלקחויות סולאריות. סביבה קשה זו גורמת להשפעות סביבתיות כגון נזקי תזוזה (DD)‏, TID ו-SEE, המובילות להשפעות ברמת ההתקן.

השיקולים בבחירת ממיר ההספק צריכים להתאים למסלולים שבהם פועל הלוויין, וכן למשך המשימה. לדוגמה, במסלולי GEO דרישות הקרינה מחמירות יותר בהשוואה למסלולי LEO.

דרישת הכמויות ב-LEO נוטה להיות גבוהה יותר בשל מספר הלוויינים הקטנים המשוגרים ליצירת הקונסטלציות. ניהול ההספק בלוויינים נתון לדרישות מחמירות, ועליו לעמוד בתקני MIL שונים כדי לשרוד בסביבה הקשה. ספקי הכוח המשמשים בלוויינים אלה צריכים גם למזער את הגודל, המשקל, ההספק והעלות (SWaP-C).

Microchip מספקת ממירי DC/DC לחלל המתאימים ליישומים אלה, ובהם סדרת SA50 הסטנדרטית המוקשחת לקרינה ללווייני חלל עמוק או ללוויינים מסורתיים במסלולי GEO/MEO, וסדרת LE50 הסטנדרטית העמידה לקרינה ליישומי LEO/ניו ספייס. שימוש ברכיבים סטנדרטיים במבנה לא היברידי יכול למנוע סיכון אצוות וסיכונים ללוחות הזמנים של המשימה, ולהבטיח פתרונות אמינים ועמידים עם זמן קצר יותר להגעה לשוק בעלות הרצויה.

בנוסף לדרישות העמידות ו-SWaP-C, פתרונות ספקי כוח צריכים להיות גם ניתנים להרחבה, כדי לכסות מגוון רחב של רמות איכות באותה סדרת מוצרים. הדבר כולל גם מגוון של חומרי מארז ואפשרויות הסמכה לעמידה ביעדי המשימה.

לדוגמה, ממירי ההספק המבודדים  LE50-28 מסוג DC/DC של Microchip זמינים בתשע גרסאות עם יציאה יחידה או שלוש יציאות, לגמישות מרבית בהגדרת התצורה. לממירי ההספק יש מסנן EMI נלווה, והם מאפשרים למהנדסים לתכנן בהיקף מדרגי ולהתאים אישית באמצעות בחירה של יציאה אחת עד שלוש בהתאם לטווח המתח הנדרש ליישום הקצה. סדרה זו מספקת גמישות עם עד ארבעה ממירי הספק להגעה ל-‎200 W‏. היא מציעה עמידות לקרינה ברמת חלל עם TID של ‎50 Krad‏ וחסינות ל-SEE מסוג latch-up של ‎37 MeV·cm2/mg‏ בהעברת אנרגיה ליניארית.

סדרת LE50-28 מבוססת על טופולוגיית forward, המציעה נצילות גבוהה יותר ואדוות יציאה של <1%. היא מגיעה במארז קומפקטי במידות 3.055 × ‎2.055”‏ × 0.55 אינץ' ובמשקל נמוך של 120 גרם בלבד. התקנים סטנדרטיים לא היברידיים אלה, ברמת חלל ועמידים לקרינה, במארז להרכבה משטחית, עומדים בתקנים
Mil-Std-461‏, Mil-Std-883‏ ו-Mil-Std-202‏.

בנוסף, ניתן לשלב את ממירי ההספק LE50-28 מסוג DC/DC, המיועדים למערכות אפיק של ‎28-V‏, עם רכיבי ה-FPGA מסדרת PolarFire, המיקרו-בקרים (MCU) וחיישני בקרת המנוע LX7720-RT של Microchip לפתרון מלא למערכת החשמל. הדבר מאפשר ללקוחות להשתמש בממירי LE50 סטנדרטיים וחסכוניים כדי להתאים אישית ולהגדיר פתרונות באמצעות תכונות החיבור במקביל והסנכרון, וליצור מערכות הספק מורכבות יותר שיכולות לעמוד בדרישות ניהול ההספק ב-LEO.

עבור קונסטלציות לוויינים בהיקף נמוך עד בינוני בתחום הניו ספייס, עם דרישות מחמירות של עלות ולוחות זמנים, גרסאות תת-QML (רשימת היצרנים המוסמכים) במארזי פלסטיק הן הפתרונות המיטביים, המספקים את העמידות לקרינה של רכיבי QML (ברמת חלל) ומאפשרים דרישות סינון מופחתות לעלות נמוכה יותר ולזמני אספקה קצרים יותר. הרכיבים הנלווים ל-LE50 בקטגוריה זו הם גרסאות הפלסטיק של RTG4 FPGA וגרסת ה-LEO של PIC64 למחשוב טיסה בחלל בביצועים גבוהים (PIC64-HPSC).