Walter Caharija - Università degli studi di Trieste
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Università degli Studi di Trieste Dipartimento di Elettrotecnica, Elettronica, Informatica Sistema di Alimentazione del Satellite AtmoCube Tesi di Laurea Triennale in Ingegneria Elettronica Applicata Relatore: Prof. Mario Fragiacomo Correlatore: Prof. Sergio Carrato Laureando: Walter Caharija 11.12.2006 Obiettivo Realizzare una possibile soluzione per il sistema di alimentazione di AtmoCube con: 11.12.2006 Alta Efficienza Elevata Affidabilità Walter Caharija 2 Presupposti 11.12.2006 Energia convertita dai pannelli Sistema MPPT Operatività del satellite Consumi dei vari dispositivi Requisiti EMC Condizioni ambientali Walter Caharija 3 Architettura Schema a blocchi del satellite: STRUMENTAZIONE MAGN. SPETTRO DOSIMETRO GPS CONTROLLO & DATI RICETRASMETTITORE ALIMENTAZIONE 11.12.2006 Walter Caharija 4 Architettura Elevata Affidabilità Elevata Ridondanza Architettura Distribuita, ogni blocco del satellite avrà la sua alimentazione 11.12.2006 Walter Caharija 5 Architettura Schema a blocchi del sistema di alimentazione: MAGN. SPETTRO DOSIMETRO GPS ALIMENTAZIONE MAGNETOMETRO ALIMENTAZIONE SPETTRO DOSIMETRO ALIMENTAZIONE GPS SORGENTE DI ENERGIA 11.12.2006 ALIMENTAZIONE CONTROLLO & DATI ALIMENTAZIONE RICETRASMETTITORE CONTROLLO & DATI RICETRASMETTITORE (Tx/Rx) Walter Caharija 6 Architettura ANTENNA RICETRASMETTITORE (Rx/Tx) PA Tx MODEM ADF7020 SWITCH LNA ALIMENTAZIONE SWITCH ALIMENTAZIONE PA Rx ALIMENTAZIONE LNA ALIMENTAZIONE MODEM SORGENTE DI ENERGIA 11.12.2006 Walter Caharija 7 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) 11.12.2006 Walter Caharija 8 Bilancio Energetico 11.12.2006 Walter Caharija 9 Bilancio Energetico 11.12.2006 Walter Caharija 10 Alimentazione PA ANTENNA RICETRASMETTITORE (Rx/Tx) PA Tx MODEM ADF7020 SWITCH LNA ALIMENTAZIONE SWIITCH ALIMENTAZIONE PA Rx ALIMENTAZIONE LNA ALIMENTAZIONE MODEM SORGENTE DI ENERGIA 11.12.2006 Walter Caharija 11 Alimentazione PA Requisiti: 11.12.2006 Tensione di ingresso 9-12V Tensione di uscita 5V Corrente massima 2A Alto rendimento Basse emissioni EM Ripple di tensione limitato Walter Caharija 12 Alimentazione PA Soluzione: Convertitore DC/DC a commutazione (alta efficienza) con regolatore buck integrato LT3481 (Linear Tech.) 11.12.2006 Walter Caharija 13 Alimentazione PA Caratteristiche alimentatore a LT3481: 11.12.2006 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 Walter Caharija 14 Alimentazione PA Caratteristiche alimentatore a LT3481: 11.12.2006 Indispensabile un’ottima schermatura e un PCB layout accurato per ridurre le emissioni EM Ripple di uscita impulsivo (20mV piccopicco) ma eliminabile mediante un buon filtro LC Transitorio di accensione: ~100μs Walter Caharija 15 Alimentazioni da 3.3V e 5V a bassa potenza MAGN. SPETTRO DOSIMETRO GPS ALIMENTAZIONE MAGNETOMETRO ALIMENTAZIONE SPETTRO DOSIMETRO ALIMENTAZIONE GPS SORGENTE DI ENERGIA 11.12.2006 ALIMENTAZIONE CONTROLLO & DATI ALIMENTAZIONE RICETRASMETTITORE CONTROLLO & DATI RICETRASMETTITORE (Tx/Rx) Walter Caharija 16 Alimentazioni da 3.3V e 5V a bassa potenza ANTENNA RICETRASMETTITORE (Rx/Tx) PA Tx MODEM ADF7020 SWITCH LNA ALIMENTAZIONE SWITCH ALIMENTAZIONE PA Rx ALIMENTAZIONE LNA ALIMENTAZIONE MODEM SORGENTE DI ENERGIA 11.12.2006 Walter Caharija 17 Alimentazioni da 3.3V e 5V a bassa potenza Requisiti 11.12.2006 Tensione di ingresso 9-12V Tensione di uscita 3.3V o 5V Corrente massima 100-200mA Alto rendimento Basse emissioni EM Walter Caharija 18 Alimentazioni da 3.3V e 5V a bassa potenza Soluzione: Convertitore DC/DC a commutazione con regolatore buck integrato LT3470 (Linaer Tech.) 11.12.2006 Walter Caharija 19 Alimentazioni da 3.3V e 5V a bassa potenza Caratteristiche alimentatore a LT3470: 11.12.2006 Semplicità circuitale Controllo ad isteresi della tensione di uscita Frequenza di commutazione dipendente dal carico Non è necessaria alcuna compensazione in frequenza Walter Caharija 20 Alimentazioni da 3.3V e 5V a bassa potenza Caratteristiche alimentatore a LT3470: 11.12.2006 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 Walter Caharija 21 Alimentazione del MODEM ADF7020 ANTENNA RICETRASMETTITORE (Rx/Tx) PA Tx MODEM ADF7020 SWITCH LNA ALIMENTAZIONE SWITCH ALIMENTAZIONE PA Rx ALIMENTAZIONE LNA ALIMENTAZIONE MODEM SORGENTE DI ENERGIA 11.12.2006 Walter Caharija 22 Alimentazione del MODEM ADF7020 Requisiti: 11.12.2006 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 Walter Caharija 23 Alimentazione del MODEM ADF7020 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. 11.12.2006 Walter Caharija 24 Alimentazione del MODEM ADF7020 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% 11.12.2006 Walter Caharija 25 Interruttori elettronici a MOSFET MAGN. SPETTRO DOSIMETRO GPS ALIMENTAZIONE MAGNETOMETRO ALIMENTAZIONE SPETTRO DOSIMETRO ALIMENTAZIONE GPS SORGENTE DI ENERGIA 11.12.2006 ALIMENTAZIONE CONTROLLO & DATI ALIMENTAZIONE RICETRASMETTITORE CONTROLLO & DATI RICETRASMETTITORE (Tx/Rx) Walter Caharija 26 Interruttori elettronici a MOSFET 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 11.12.2006 Walter Caharija 27 Interruttori elettronici a MOSFET Soluzione: Interruttore con P-MOS IRF5210 M1 IRF5210 1 3 J2 2 4 1 2 R1 CON2 10k 1 J1 1 2 3 3 C1 4.7u CON2: 1 TENSIONE DI USCITA 2 GND CON1 R2 2 CON1: 1 BATTERIA (9-12V) 2 MICROCONTROLLORE (TTL) 3 GND Q1 BC547C/PLP 5 82k R3 1MEG 0 11.12.2006 Walter Caharija 28 Interruttori elettronici a MOSFET Caratteristiche: 11.12.2006 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) Walter Caharija 29 PCB Alimentatori Switching Loop di corrente 11.12.2006 Irradiano armoniche alla frequenza di commutazione e multipli (quindi anche in RF) Walter Caharija 30 PCB Alimentatori Switching 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 11.12.2006 Walter Caharija 31 PCB Alimentatori Switching Layout Alimentatore SW LT3481 11.12.2006 Walter Caharija 32 PCB Interruttore a MOSFET Layout Interruttore a MOSFET 11.12.2006 Walter Caharija 33 PCB Interruttore a MOSFET PCB Interruttore a MOSFET Lato componenti 11.12.2006 Lato rame Walter Caharija 34 Università degli Studi di Trieste Dipartimento di Elettrotecnica, Elettronica, Informatica Sistema di Alimentazione del Satellite AtmoCube FINE
