作者：德州儀器 Kyle Stone
本文提及的產品：INA901-SP、INA240-SEP
目前已有幾家商用衛星業者大舉跨足太空領域，為這項過去多為政府出資的活動掀起一場革命。每年發射衛星數量之所以必須增加，主要是因為有些企業想在低軌道（low-Earth orbit）、中軌道（middle-Earth orbit）和地球同步軌道（geostationary equatorial orbit），發展通訊衛星巨型星系（mega-constellation）、穩健的雷達網路和強化型光學成像平台。這些任務導致設計人員必須捨棄以運算放大器、電晶體等簡易離散式元件為基礎的衛星設計，轉而採用更高階的積體電路，來幫助他們節省設計、組裝和測試所需時間。
電流感測放大器（CSA）適用於衛星電子系統裡各種應用。本文將探討電流感測放大器如何藉由輸電軌道電流監測、負載點偵測及馬達驅動控制等功能，監測衛星配電系統與電動馬達的健康狀態與功能性。
衛星電流監測
監測主要的輸電軌道輸入電流是電流感測放大器最常見的衛星使用案例之一，以偵測單一事件瞬態。相較於供應電壓到輸入針腳，電流感測放大器更有能力處理電壓應用，且與傳統運算放大器或其他離散式解決方案相比，更具有設計彈性，因為共態輸入針腳電壓會受限於放大器的供應電壓。
電流感測放大器同時適用於高壓側及低壓側感測設計；您可以在負載之前或之後，於系統中配置一個分流電阻，就能在過電流事件等預期中的輸出負載電流中監測異常狀況。表1總結了高壓側與低壓側實作的優缺點。
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高壓側 |
低壓側 |
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實作 |
差分輸入 |
單一或差分輸入 |
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地面干擾 |
無 |
有 |
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常用電壓 |
接近電源 |
接近地面 |
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共態抑制率條件 |
較高 |
較低 |
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負載短路偵測 |
有 |
無 |
表1：高壓側感測vs.低壓側感測
TI QML Class V 太空級電流感測放大器 INA901-SP 同時適用於高壓側與低壓側感測實作，不僅輸入電壓範圍從 –15 V 到 65 V，且抗輻射保證（radiation-hardened-assured，RHA）級別達 50krad（Si），輻射劑量低且單粒子鎖定（single-event latch up，SEL）抗擾度最高達LETEFF = 75 MeV-cm2/mg。INA901-SP能協助將元件數量降至最低，以偵測輸電軌道的健康狀態並保護衛星系統不致發生過電流事件。
負載點偵測
使用電流感測放大器進行負載點偵測，便可蒐集重要系統元件上的資料，藉此判定健康狀態或特定系統負載的耗電狀況。運用來自電流感測放大器的資料，系統就能做出自我校正或負載分量節流等資料驅動決策，以確保正常作業之外的適當運轉。由於具有準確、高電壓範圍且提供獨立電壓共態範圍等特點，電流感測放大器可以更輕鬆地偵測關鍵任務元件，有助於確保任務成功
馬達驅動應用
在馬達驅動應用中，馬達驅動電路會產生脈寬調變（PWN）訊號以精確控制馬達運作。這些調變訊號取決於對應每個馬達相位所安裝、為控制電路以提供反饋資訊的監測電路。因相對於理論，現實中的放大器並不是那麼完美，輸出可能會因為放大器故障而受影響，無法確實抑制共態電壓中由脈寬調變所驅動的龐大輸入電壓步階。現實中放大器的共態抑制有限，放大器輸出也會對應每個輸入電壓步階而出現不良波動。圖1為某款競品裝置之輸出，圖2則為INA240-SEP輸出。
圖1：競品輸出vs.脈寬調變輸入
圖2：INA240-SEP輸出vs.脈寬調變輸入
這些輸出波動可能非常劇烈，且視放大器特色而有所不同，輸入轉換後可能需要花費相當長的時間才能穩定下來。透過 INA240-SEP 強化的脈寬調變抑制技術，就能為系統中使用脈寬調變訊號的大量共模瞬態（ΔV/Δt）提供高階抑制功能，而這對馬達驅動和電磁應用特別有效。這種特色能提供正確的電流測量結果，同時減少瞬態以及輸出電壓相關的復原漣波。
INA240-SEP是一款採用太空強化塑膠封裝的超精確元件，共態電壓範圍從 –4-V 到 80-V，增益誤差0.2%；增益漂移為2.5 ppm/°C；且偏移電壓 ±25 μV，屬於德州儀器「Space Enhanced Plastic（Space EP）」輻射耐受產品組合系列，RHA 級別為 30krad（Si），125°C 時 SEL 抗擾度最高達 43 MeV-cm2/mg，主要鎖定低軌道應用。
結論
電流感測能為系統提供許多好處，包括性能最佳化、提升可靠度以及狀態監測功能，可保護系統重要部件。由於太空級電流感測放大器能直接進行測量且結果具有高度正確性，能幫助系統在最嚴苛的環境下正確運轉達數年之久。
其他資源
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