Wie Treiber-Decoder Subsysteme von Satelliten verkleinern

Mehr als 20.000 Satelliten im Orbit umfassen ein breites Spektrum an Funktionen wie Meteorologie, Navigation, Fernsehen, Sprachkommunikation und Erkundung. Mit jeder neuen Mission erwarten sich die Anwender zunehmend mehr Funktionalität, was höhere Nutzlasten der Satelliten erfordert. Dies zwingt die Hersteller, Größe, Gewicht und Leistung ihrer Satelliten-Subsysteme zu erhöhen.

Bild 1: Blockdiagramm der nächsten Generation von Befehls- und Telemetrie-Subsystemen einer Satellitensteuerung. Renesas

Die Kombination aus Multiplexer (ISL71841SEH) und Treiber-Decoder ( ISL72813SEH) mit jeweils 32 Kanälen reduziert Größe und Gewicht der Befehls- und Telemetrie-Subsysteme um bis zu 50 Prozent und erhöht somit die Satellitennutzlast. Im Fokus liegt dabei die grundlegende Funktionsweise der Befehlsausgangsschaltung und ihre Rolle im gesamten Telemetriesystem.

Ansteuerung der Telemetrie-Schaltausgänge

Bild 1 zeigt das Blockdiagramm für ein Satellitenbefehls- und Telemetrie-Subsystem der nächsten Generation, das typischerweise Hunderte von Telemetrieeingängen und Befehlsausgängen aufweist. Das 32-Kanal-Treiber-Array steuert Relais und Magnetspulen, die wiederum die Triebwerke zur Korrektur der Umlaufhöhe ansteuern, HF-Wellenleiter und -Koaxialschalter elektrisch umschalten oder die Solarmodule schwenken.

Die Befehlsausgangsschaltung des Satelliten besteht aus sechs Treiber-ICs, die zusammen 192 Steuerausgänge realisieren. Eine Relaisspule nimmt weniger als 100 mA Strom, während der Elektromagnet eines Hohlleiter- oder Koaxialschalters bis zu 500 mA benötigt. Diese Schaltbausteine steuern verschiedene Subsysteme sowie den Kommunikationsfluss des Raumflugkörpers. Ihre Stromversorgung am Common-Emitter-Pin (V_EE) erfolgt über eine gemeinsame -30 V Gleichstromquelle.

Fünf Adresseingänge (A0 – A4) steuern die 32 Schaltkanäle eines jeden Treiberbausteins – jeder lässt sich einzel per Enable-Pin aktivieren/deaktivieren. Die Logikeingänge sind TTL- und CMOS-kompatibel (3,3 oder 5 V) und ermöglichen eine einfache Anbindung an CPUs, FPGAs oder Mikroprozessoren. Bild 2 zeigt die Verschaltung der Adressleitungen und Enable-Pins zwischen den sechs Treibern und dem steuerden FPGA. Aufgrund der parallel genutzen Adressleitungen kann jeder Treiber nur jeweils einen seiner 32 Kanäle ansprechen, die separten Enable-Leitungen erlauben jedoch eine gleichzeitiges Ansprechen aller sechs Treiberbausteine und damit insgesamt bis zu sechs gleichzeitig steuerbare Ausgangskanäle. Ein FPGA steuert die 192 Befehlsausgänge über insgesamt zwölf Logik-Steuersignale.

Bauraum und Gewicht einsparen

Bild 2: Insgesamt zwölf FPGA-Ausgänge steuern 192 Schaltausgänge, von denen maximal sechs gleichzeitig ansprechbar sind. Renesas

Eine Schaltung älterer Befehlsausgabesubsysteme besteht aus vier diskreten Stromtreiber-Array-ICs, 32 Sperrdioden und 16 Pegelumsetzerschaltungen mit jeweils 48 Widerständen, 16 Transistoren und einem Paar Decoder-ICs. Auf einer Leiterplatte mit 192 Schaltausgängen könnten sechs 32-Kanal-Treiber-ICs 24 die herkömmlichen diskreten Treiber-Arrays ersetzen und dementsprechend den Bauteilumfang massiv reduzieren. Das neue Design verringert damit die Abmessungen gegenüber dem alten auf weniger als die Hälfte und spart Gewicht.

Bild 3 zeigt das Funktionsblockschaltbild des Treiberbausteins ISL72813SEH. Die Innenschaltung ist betriebssicher für die Einsatz in Umgebungen mit erhöhter Raumstrahlung ausgelegt. Integriert sind ein  5-zu-32-Adressdecoder und 32 Pegelumsetzer mit nachgeschalteten Darlington-Treiberstufen. Die Open-Collector-Ausgänge verkraften Schaltspannung bis 42 V, leisten einenSpitzenstrom von 600 mA und schalten auf einen gemeinsamen Emitter-Anschluss.

Hohe Strahlungsfestigkeit für sicheren Einsatz

Weltraumstrahlungseffekte auf elektronische Geräte sind ein wichtiger Aspekt des Satelliten-Systemdesigns. Sie können Probleme verursachen, die von Betriebsstörungen bis hin zu schweren Sachschäden an den Bausteinen reichen, die möglicherweise zu einem katastrophalen Scheitern der Mission führen.

Bild 3: Das Innenleben des 32-Kanal-Treiberbausteins ISL72813SEH ist für erhöhte Strahlungsbelastung ausgelegt. Renesas

ICs sind anfällig für zwei Arten von Raumstrahlungseffekten, verursacht durch Elektronen und Protonen, die vom Erdmagnetfeld eingegefangen werden. TID-Effekte (Total Ionizing Dose) entstehen durch die dauerhafte Einwirkung von ionisierender Strahlung. SEE (Single-Event Effects) sind wesentlich gefährlicher für den Satelliten und resultieren aus einem einzigen hochenergetischen Partikel, der auf das Bauteil trifft und Bereiche der Halbleiterstruktur zerstört.

Bild 4: In Kombination mit einem 32-Kanal-Multiplexer kann der ISL72813SEH die Herausforderungen der Satellitennutzlast bewältigen. Renesas

Der Baustein ISL72813SEH (Bild 4) ist mit TDI-qualifiziert mit einer HDR (High Dose Rate) von 1000 Gy bei einer Intensität von 0,5 bis 3 Gy/s und mit einer LDR (Low Dose Rate) von 500 Gy bei 0,0001 Gy/s unter Vorspannung und geerdeten Bedingungen. SEE-Tests erfolgten, um die Grenzen der V_CC– und V_EE-Versorgungsspannungen zur Vermeidung von destruktiven Single-Event-Burnout bei einer linearen Energieübertragung von 86 MeV∙cm²/mg zu ermitteln.

(jwa)

(jwa)