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Sistema di Alimentazione del Satellite AtmoCube

Università degli Studi di TriesteDipartimento di Elettrotecnica, Elettronica, Informatica

11.12.2006

Tesi di Laurea Triennale in Ingegneria Elettronica Applicata

Relatore: Prof. Mario Fragiacomo Correlatore: Prof. Sergio Carrato

Laureando: Walter Caharija

11.12.2006 Walter Caharija 2

Obiettivo

Alta Efficienza Elevata Affidabilità

Realizzare una possibile soluzione per il sistema di alimentazione di AtmoCube con:


Presupposti

Energia convertita dai pannelli Sistema MPPT Operatività del satellite Consumi dei vari dispositivi Requisiti EMC Condizioni ambientali


ArchitetturaSchema a blocchi del satellite:

GPS

RICETRASMETTITORE

STRUMENTAZIONE

CONTROLLO & DATI

ALIMENTAZIONE

MAGN.SPETTRO

DOSIMETRO


Architettura

Elevata Affidabilità Elevata Ridondanza

Architettura Distribuita, ogni blocco del satellite avrà la sua alimentazione


Architettura

RICETRASMETTITORE(Tx/Rx)

CONTROLLO &DATI

ALIMENTAZIONEMAGNETOMETRO

ALIMENTAZIONESPETTRO

DOSIMETRO

ALIMENTAZIONEGPS

ALIMENTAZIONECONTROLLO & DATI

ALIMENTAZIONERICETRASMETTITORE

SORGENTE DI ENERGIA

MAGN. SPETTRODOSIMETRO

GPS

Schema a blocchi del sistema di alimentazione:


Architettura

PA

SORGENTE DI ENERGIA

ALIMENTAZIONESWITCH

ALIMENTAZIONEPA

ALIMENTAZIONELNA

ANTENNA

SWITCH

RICETRASMETTITORE (Rx/Tx)

Tx

Rx

MODEMADF7020

LNA

ALIMENTAZIONEMODEM


Bilancio Energetico

Consumo energetico giornaliero

Calcolo della potenza assorbita dal satellite (worst case) in ogni secondo di funzionamento dei primi 6 mesi di attività

Energia assorbita ogni 24h (deve essere minore alla soglia critica di 45Wh)


Bilancio Energetico


Alimentazione PA

PA

SORGENTE DI ENERGIA

ALIMENTAZIONESWIITCH

ALIMENTAZIONEPA

ALIMENTAZIONELNA

ANTENNA

SWITCH


Tx

Rx

MODEMADF7020

LNA

ALIMENTAZIONEMODEM


Alimentazione PA

Requisiti: Tensione di ingresso 9-12V Tensione di uscita 5V Corrente massima 2A Alto rendimento Basse emissioni EM Ripple di tensione limitato


Alimentazione PA

Soluzione:Convertitore DC/DC a commutazione (alta efficienza) con regolatore buck integrato LT3481 (Linear Tech.)


Alimentazione PA

Caratteristiche alimentatore a LT3481: Frequenza di switching fissa Controllo in corrente della tensione di

uscita Rete esterna di compensazione in

frequenza Alta efficienza (80-90%) Corrente massima erogabile 2A


Alimentazione PA

Caratteristiche alimentatore a LT3481: Indispensabile un’ottima schermatura e

un PCB layout accurato per ridurre le emissioni EM

Ripple di uscita impulsivo (20mV picco-picco) ma eliminabile mediante un buon filtro LC

Transitorio di accensione: ~100μs


Alimentazioni da 3.3V e 5V a bassa potenza


CONTROLLO &DATI



DOSIMETRO

ALIMENTAZIONEGPS



SORGENTE DI ENERGIA


GPS



PA

SORGENTE DI ENERGIA

ALIMENTAZIONESWITCH

ALIMENTAZIONEPA

ALIMENTAZIONELNA

ANTENNA

SWITCH


Tx

Rx

MODEMADF7020

LNA

ALIMENTAZIONEMODEM



Requisiti Tensione di ingresso 9-12V Tensione di uscita 3.3V o 5V Corrente massima 100-200mA Alto rendimento Basse emissioni EM



Soluzione:

Convertitore DC/DC a commutazione con regolatore buck integrato LT3470 (Linaer Tech.)



Caratteristiche alimentatore a LT3470: Semplicità circuitale Controllo ad isteresi della tensione di

uscita Frequenza di commutazione dipendente

dal carico Non è necessaria alcuna compensazione

in frequenza



Caratteristiche alimentatore a LT3470: Corrente massima erogabile 200mA Alta efficienza (70-80%) Basso ripple impulsivo in uscita Indispensabile una buona schermatura

e un accurato disegno del PCB finale per ridurre le emissioni EM

Transitorio di accensione: ~1ms


Alimentazione del MODEM ADF7020

PA

SORGENTE DI ENERGIA

ALIMENTAZIONESWITCH

ALIMENTAZIONEPA

ALIMENTAZIONELNA

ANTENNA

SWITCH


Tx

Rx

MODEMADF7020

LNA

ALIMENTAZIONEMODEM



Requisiti: Tensione di ingresso 9-12V Tensione di uscita 3.3V Corrente massima 50mA Forte reiezione del ripple e buona

stabilità della tensione sul carico Basse emissioni EM



Soluzione:

Utilizzo del regolatore lineare LT1761 della Linear Tech. (low dropout ed elevata reiezione del ripple) da 3.3V, con passo intermedio a 4V mediante un convertitore switching LT3470, per questioni di efficienza.



Caratteristiche: Elevata stabilità del regolatore lineare LT1761 Transitorio di accensione: 10ms Corrente massima erogabile 100mA Indispensabile una buona schermatura e un

accurato disegno del PCB finale per ridurre le emissioni e le interferenze EM

Ripple di uscita molto basso Efficienza 50-60%


Interruttori elettronici a MOSFET


CONTROLLO &DATI



DOSIMETRO

ALIMENTAZIONEGPS



SORGENTE DI ENERGIA


GPS



Requisiti: Tensione di batteria (9-12V) Corrente richiesta 15-20mA Resistenza in fase di ON molto bassa

Per quanto rigurada il solo magnetometro Corrente richiesta di picco in fase di RESET

di 3.2A Schermatura della linea di alimentazione a

causa dell’impulso di corrente



Soluzione:Interruttore con P-MOS IRF5210

0

3

1

2

4

5Q1 BC547C/PLP

M1

IRF5210

2

1

3

C14.7u

J1

CON1

123

J2

CON2

12

R2

82k

R1

10k

R3

1MEG

CON1:1 BATTERIA (9-12V)2 MICROCONTROLLORE (TTL)3 GND

CON2:1 TENSIONE DI USCITA2 GND



Caratteristiche: Resistenza di canale del IRF5210, in

conduzione, molto bassa (60mΩ) Corrente massima sostenibile a 25°C pari

a 40A Corrente assorbita dal BJT ~ 1mA Tempo di commutazione off-on: ~ 3.5μs Tempo di commutazione on-off: ~ 8.7ms

(c’è il condensatore da scaricare)


PCB Alimentatori Switching

Loop di correnteIrradiano armoniche alla frequenza di commutazione e multipli (quindi anche in RF)



Per minimizzare le emissioni EM occorre: Rendere minima la circonferenza dei due

anelli Realizzare piste larghe e lunghe Cin e D devono essere molto vicini, per

quanto possibile, all’integrato Usare induttanze (L) schermate Porre dei piani di massa continui dietro ai

loop evidenziati



Layout Alimentatore SW LT3481


PCB Interruttore a MOSFET

Layout Interruttore a MOSFET




Lato componenti Lato rame

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FINE

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