전류 감지 증폭기가 위성 상태를 모니터링하는 방법

우주의 위성이 지구에서 어떻게 작동하는지 어떻게 알 수 있습니까? 전류 감지 증폭기 또는 CSA가 여러 위성 모니터링 시스템의 중요한 부분인 방법을 알아보세요.

여러 상업용 위성 회사가 우주 분야에 큰 영향을 미치고 진출하여 한때 정부 자금이 많이 지원되었던 이 활동에 혁명을 일으켰습니다. 이 회사들은 다른 많은 회사와 함께 낮은 지구 궤도, 중간 지구 궤도 및 정지 적도 궤도를 위한 통신 메가 별자리, 강력한 레이더 네트워크 및 향상된 광학 이미징 플랫폼을 개발하고 있습니다.

이러한 임무로 인해 많은 설계자들은 연산 증폭기(op-amps) 또는 트랜지스터와 같은 단순한 개별 구성요소에 기반한 위성 설계에서 보다 고도로 집적된 마이크로회로를 선호하여 설계 노력, 조립 및 테스트에 소요되는 시간을 절약할 수 있습니다.

이 기사에서는 CSA가 전력 레일 전류 모니터링, 부하 지점 감지 및 모터 구동 제어와 같은 기능을 구현하여 위성 배전 시스템 및 다양한 기타 전기 구성 요소의 상태와 기능을 모니터링할 수 있는 방법에 대해 설명합니다. 전류 감지 증폭기(CSA)는 위성의 전자 시스템 전반에 걸쳐 다양한 애플리케이션에 적합합니다.

CSA의 기본 사항

CSA는 하이사이드 및 로우사이드 감지 설계를 모두 가능하게 합니다. 부하 전후에 션트 저항을 갖도록 시스템을 구성할 수 있습니다(그림 1 참조). ) 과전류 이벤트와 같은 예상 전달 부하 전류의 이상을 모니터링합니다.

그림 1. 하이사이드 및 로우사이드 구현

표 1 하이사이드 및 로우사이드 구현의 절충점을 요약합니다. 두 구성 모두 시스템 설계자가 CSA로 달성하고자 하는 바에 따라 장단점이 있습니다.

	하이사이드	하단
구현	차등 입력	단일 또는 차등 입력
지반 교란에 취약함	아니요	예
공통 전압	가까운 공급	지면에 가까움
공통 모드 거부율 요건	높게	하단
로드 쇼트 감지	예	아니요

표 1. 하이사이드 대 로우사이드 감지

철도 모니터링

위성에서 CSA의 가장 일반적인 사용 사례 중 하나는 단일 이벤트 과도 현상을 감지하기 위해 주 전원 레일 입력 전류를 모니터링하는 것입니다. CSA의 기능은 입력 핀에 공급 전압보다 더 큰 전압을 인가하는 것을 처리할 수 있어 공통 모드 입력 핀 전압이 연산의 공급 전압에 의해 제한되는 기존 연산 증폭기 또는 기타 개별 접근 방식보다 더 많은 설계 유연성을 제공합니다. 앰프 CSA를 사용하여 주 전원 레일을 모니터링할 때 분로 저항기를 부하의 높거나 낮은 쪽에 배치할 수 있습니다. 높은 쪽은 일반적으로 주 전원 레일을 모니터링할 때 선호되는 설정이므로 CSA를 활용하여 시스템 보호를 위한 부하 단락을 감지하고 완전한 시스템 오류를 방지할 수 있습니다.

부하 지점 감지

CSA를 활용하여 중요한 시스템 구성 요소에 대한 데이터를 수집하고 특정 시스템 부하의 상태 또는 전력 소비를 결정하는 유용한 방법인 과전류 보호, 시스템 최적화 또는 폐쇄 루프 피드백을 위한 부하 지점 감지를 수행할 수 있습니다. . CSA의 데이터를 사용하여 시스템은 자체 교정, 단락 감지 또는 전력 증폭기(PA) 및 기타 다양한 전자 시스템과 같은 부하 구성 요소에 대한 전류 흐름 조절과 같은 데이터 기반 결정을 내리고 적절한 작동을 보장할 수 있습니다. CSA의 정확도, 고전압 범위 및 공급 전압 독립적인 공통 모드 범위를 통해 미션 크리티컬 구성 요소를 보다 쉽게 ​​모니터링하고 미션 성공을 보장할 수 있습니다.

과전류 보호

그림 2 트립 레벨을 설정하기 위해 정의된 기준 전압을 사용하여 비교기와 결합된 CSA의 일반적인 개별 설정을 보여줍니다. 이 구성에서 CSA는 하이 사이드에서 사용되며 감지 저항에서 발생하는 차동 전압을 측정합니다. CSA는 비교기 입력과 아날로그-디지털 변환기 모두에 출력을 보냅니다. 이 구성으로 시스템은 부하에 대한 전류를 지속적으로 모니터링할 수 있습니다. 예기치 않은 이벤트가 발생하면 고속 비교기가 트리거되어 데이터 기반 결정을 내려 완전한 오류를 방지하기 위해 시스템을 조절하거나 종료합니다.

그림 2. 개별 과전류 보호

Texas Instruments의 INA901-SP는 입력 전압 범위가 –15V ~ 65V, 50krad( Si) 낮은 선량률의 RHA(radiation-hardened-assured) 사양 및 최대 LET_EFF의 단일 이벤트 래치업(SEL) 내성 =75 MeV-cm ² /mg SEL. INA901-SP는 공급 레일 상태를 모니터링하고 과전류 이벤트로부터 위성 시스템을 보호하는 데 필요한 장치 수를 최소화하는 데 도움이 됩니다.

무선 주파수 통신 애플리케이션

통신 시스템은 POL(point-of-load) 감지를 위한 일반적인 애플리케이션이며, 여기서 CSA는 수명 주기 동안 PA의 작동을 제어하는 ​​데 중요한 역할을 합니다. 위성의 통신 장비가 전파를 방송할 때 PA에 있는 트랜지스터의 특정 바이어스 포인트에 대한 게이트 전압을 조정하면 전달되는 전류가 제어되어 시스템 효율성이 향상됩니다. PA를 통한 전류 흐름을 제어하는 ​​두 가지 방법이 있습니다. 개방 루프 개념인 첫 번째 방법은 바이어스에 대한 고정 제어 전압을 포함하여 몇 가지 단점이 있습니다. 두 번째 방법은 CSA 및 기타 여러 구성 요소를 활용하는 폐쇄 피드백 개념으로, PA 트랜지스터의 바이어스 포인트를 동적으로 제어할 수 있지만 인쇄 회로 기판 실장 면적이 더 커집니다.

그림 3 PA의 드레인을 통한 전류 흐름 모니터링, 버스 모니터로 VDD 모니터링, 비교기로 과전류 보호를 모니터링하는 폐쇄 루프 시스템의 예입니다. 보드 공간, 비용, 정밀도 또는 안테나 수에 대한 제약 조건에 따라 최적의 동적 제어 방법이 달라질 수 있습니다. 대부분의 접근 방식에는 편향을 조정하고 효율성을 개선하기 위해 피드백 체인의 일부로 사용되는 CSA가 포함됩니다.

그림 3. 버스 전압, 전류 및 과전류 피드백

모터 구동 애플리케이션

모터 구동 애플리케이션에서 모터 구동 회로는 펄스 폭 변조(PWM) 신호를 생성하여 모터 작동을 정밀하게 제어합니다. 이러한 변조된 신호는 제어 회로에 대한 피드백 정보를 전달하는 각 모터 위상에 맞춰 배치된 모니터링 회로의 영향을 받습니다. 실제 증폭기(이론적 증폭기와 반대)는 완벽하지 않기 때문에 증폭기가 공통 모드 전압의 큰 PWM 구동 입력 전압 단계를 적절하게 거부하지 못하면 출력에 영향을 미칠 수 있습니다. 실제 증폭기에는 무한한 공통 모드 제거가 없으며 각 입력 전압 단계에 해당하는 증폭기 출력에서 ​​바람직하지 않은 변동이 나타납니다.

그림 4 모터 구동 애플리케이션에서 CSA의 예를 보여줍니다. 빨간색 증폭기는 시스템에서 인라인 CSA를 배치할 위치를 나타냅니다. 그림 5 그림 6은 경쟁 기기의 출력을 보여줍니다. INA240-SEP의 출력을 보여줍니다.

그림 4. CSA의 인라인 구현(한 단계만 표시됨)

그림 5. 경쟁 장치 출력 대 PWM 입력

그림 6. INA240-SEP 출력 대 PWM 입력

이러한 출력 변동은 상당히 클 수 있으며 증폭기의 특성에 따라 입력 전환 후 안정화하는 데 상당한 시간이 걸릴 수 있습니다. INA240-SEP의 향상된 PWM 제거 기술을 활용하면 PWM 신호를 사용하는 시스템에서 큰 공통 모드 과도 현상(ΔV/Δt)에 대해 높은 수준의 억제를 제공하는 데 도움이 되며, 이는 모터 구동 및 솔레노이드 애플리케이션에 특히 유용합니다. 이 기능을 사용하면 출력 전압에서 감소된 과도 및 관련 복구 리플로 정확한 전류 측정이 가능합니다.

Texas Instruments의 INA240-SEP는 0.2%의 이득 오류, 2.5ppm/°C의 이득 드리프트 및 ±25μV의 오프셋 전압. 이 장치는 SEL 내성이 최대 43MeV-cm ² 인 30krad(Si)에 대한 TI의 Space-Enhanced Plastic(Space EP) 방사선 내성 포트폴리오의 일부입니다. /mg at 125°C, 저궤도 애플리케이션을 대상으로 합니다.

결론

전류 감지는 최적화된 성능, 향상된 안정성, 시스템 필수 요소를 보호하기 위한 상태 모니터링을 포함하여 시스템에 많은 이점을 제공합니다. 우주 등급 CSA는 매우 정확한 결과로 직접 측정을 가능하게 하기 때문에 시스템이 가장 혹독한 환경에서 수년 동안 올바르게 작동하는 데 도움이 됩니다. 더 많은 텍사스 인스트루먼트의 우주 제품은 www.ti.com/applications/industrial/aerospace-defense/overview.html#을 참조하십시오.

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