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우주 비행 임무를 수행하는 인공위성은 한 번 띄우면 접근이 불가하다. 따라서, 위성 서브 시스템의 상태를 모니터링할 수 있는 정확한 원격 측정 데이터를 확보해 기준치를 설정하면 결함과 작동 중인 시스템을 원격으로 파악할 수 있다. 민감한 부품들은 전압, 온도, 전류에 대한 정확한 모니터링이 필요한데, 대표적인 두 가지 예시가 무선 주파수(RF) 전력 증폭기와 열전 냉각기다. 두 애플리케이션은 모두 온도와 방사선 효과에 따라 성능이 달라지기 때문에 효율적이고 안전한 작동을 위해서는 적용된 전압과 전류의 조정이 필요하다. 원격 측정 회로는 주요 시스템의 전원 레일과 부품을 모니터링하고, 성능과 관련된 데이터를 수집하고, 그에 맞추어 시스템 설정을 조정한다. 성능과 관련된 데이터는 현재와 미래의 인공위성 설계를 위한 값진 데이터이기도 하다.

원격 측정 회로에서 가장 중요한 블록(그림 1 참조)은 전원 공급 레일과 온도를 감지하는 아날로그 프론트 엔드(AFE), 데이터를 분석하는 메인 프로세서, 서로 다른 시스템 매개 변수를 조정하는 데 필요한 출력 신호다.

 

그림 1. 원격 측정 회로 블록 다이어그램의 AFE(녹색), 처리(적색), 출력 신호(청색)

AFE 전압 전류  온도 감지

AFE는 원격 측정 회로에 중요한 세 가지 값인 전압, 전류, 온도를 모니터링한다. 이 값을 측정 및 해석하기 위해 아날로그-디지털 변환기(ADC)가 사용되며, ADC는 이 값을 디지털화하고 프로세서에 보낸다. ADC128S102QML-SP는 각각 3V 및 5V 공급 전압에 소비 전력이 2.3mW~10.7mW로 낮은 반면 전압, 전류 및 온도 모두를 정확하게 측정하는 데 필요한 12bit의 해상도와 최대 1MSPS의 샘플링 속도를 갖추고 있기 때문에 AFE로 좋은 옵션이다. 한편, ADC128S102QML-SP는 우주 비행 분야에 10년 이상 사용되었다. 그러나 ADC가 모니터링하는 세 개의 값에 따라, 올바른 작동을 보장하기 위해서는 ADC 전면에 다른 필수 부품이 필요하다.

위성 시스템의 전압은 최대 40V까지 상승하고, 음극 전압 레일을 포함할 수 있다. 이러한 고전압 레일은 ADC를 손상시킬 수 있으므로, 전압을 내리고 ADC를 보호하는 데 버퍼와 감쇠 기능이 사용된다. 저항 분배기는 우선 전압을 ADC의 입력 범위에 들어가도록 분배한다. 그다음, 설계자는 LMP7704-SP와 같은 연산 증폭기를 버퍼로 사용해 신호 전류의 세기가 충분히 크도록 보장한다. LMP7704-SP는 또한 게인 대역폭이 2.5MHz로 충분하며, 입력과 출력 모두 레일 투 레일(rail-to-rail)이다. 따라서, ADC의 최대 수치 범위를 극대화하는 한편 정확성에 미치는 영향을 최소화할 수 있다. 저항 분배기와 LMP7704-SP를 연결하면 40V 바이어스 레일과 같은 레일을 가져와 이 전압 범위를 더 작은 수치로 변환할 수 있다. 예를 들어 10:1 저항 분배기를 사용하면 40V 입력은 버퍼의 4V 출력된다.


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전류 감지 기능은 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA) 및 데이터 변환기의 손상을 방지하기 위해 민감한 전원 레일의 결함을 파악하고, 차단이 필요한 전원 레일을 메인 프로세서에 알려준다. 전류 데이터 수집을 통해 시스템 내 디바이스가 예상보다 더 많은 전류를 소비하고 있는지 알아낼 수도 있다. 전류 소비가 많다는 것은 방사선 유도 래치업이 발생 가능하다는 것을 뜻한다. 대역폭이 넓은 INA901-SP 전류 감지 증폭기는 전원 레일의 기준치를 설정하는 데 도움이 되도록 전류를 정확하게 측정하는 한편 합선과 같은 갑작스러운 결함 발생 시 신속하게 대응할 수 있다.

디바이스 또는 회로판의 온도 측정을 통해 부품들이 제대로 작동하고 있는지를 파악할 수 있다. 과열 현상은 FPGA 또는 전원 모듈이 과도한 압력을 받아 디바이스의 런타임이 줄어들고 있음을 나타내는 주요 지표가 될 수 있다. RF 전력 증폭기 등의 다른 디바이스는 온도 변화에 민감해서 이에 대응하여 올바른 전압 조정이 필요하다. 이러한 온도를 측정하기 위해 TMP461-SP 디지털 출력 온도 센서는 FPGA와 고속 데이터 변환기와 같은 민감한 디바이스의 통합 내부 온도 다이오드를 모니터링하여 현장 및 원격 온도 감지를 모두 제공할 수 있다. 이러한 다이오드의 감지 외에도 TMP461-SP에는 내부 센서가 탑재되어 있어 회로판의 센서의 위치에서 바로 온도를 측정할 수 있다. 디바이스를 RF 전력 증폭기 등의 다른 민감한 부품 옆에 놓으면 TMP461-SP에서 온도를 측정할 수 있다.

원격 측정 데이터 처리: FPGA MCU 비교

인공위성의 AFE 데이터를 처리하고 원격 측정 회로를 제어하려면 FPGA와 MCU 두 가지 방법을 사용할 수 있다. 일반적인 원격 측정 회로는 원격 측정 데이터의 통신과 프로세싱을 처리하는 데 FPGA를 사용하며, 거의 독자적으로 작동하므로 다른 시스템 부분과의 교신이 거의 필요 없다. FPGA는 ▲ AFE의 더 많은 채널 입력, ▲ 빠른 데이터 변환, ▲ 데이터 입력에 기반한 복잡한 의사 결정을 지원한다. 하지만 대부분의 스페이스급 FPGA는 패키지 설치 면적이 넓으며, 최소한의 사이즈를 요구하면서도 필요한 소비 전력은 높다.

MSP430FR5969-SP와 같은 혼합된 신호의 MCU는 원격 측정 회로에 사용되는 FPGA 자원과 핀을 줄이기 위한 좋은 대안이 되며, 데이터 처리, 전원 시퀀싱, 펄스 폭 변조 출력과 같이 동일한 기능을 원격 회로에 제공한다. MSP430FR5969-SP는 이중 데이터 전송 속도(DDR)와 같은 전통적인 메모리 유형보다 방사선 효과에 더 강한 메모리 유형인 통합 강유전체 메모리(FRAM)도 장착하고 있다.

시스템 재보정

원격 측정 회로는 시스템의 측정값을 읽고 서로 다른 시스템 기능을 조정함으로써 시스템을 재보정하여 최적의 작동 상태를 유지할 수 있다.

메인 프로세서가 결함이 있다고 판단을 하면, 메인 프로세서는 부품을 차단하거나 그 부품의 작동 모드를 전환할 수 있다. 더 정밀한 제어와 구동 강도가 필요한 분야에서는 DAC121S101QML-SP와 같은 외부 디지털-아날로그 변환기로 RF 전력 증폭기와 같은 시스템 부품의 바이어스를 정확하게 조정할 수 있다.

마무리

스페이스급 아날로그와 임베디드 프로세싱 제품으로 구성된 TI의 우주용 제품 포트폴리오는 모든 우주 비행 관련 임무에서의 올바른 작동을 보장하기 위해 시스템 전반에 필요한 측정 정확도와 성능을 갖춘 콤팩트한 저전력 솔루션을 원격 측정 회로에 제공한다.

 

알버트 (Albert Lo)/ TI 시스템 엔지니어

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