作者：德州儀器產品行銷工程師 Sree Alvarado
現代衛星多使用精密的高功率現場可程式閘陣列（FPGA）及處理器，無形中提高了設計出穩健電源供應的難度。許多設計人員為了實現備援機制（為了提升可靠度，刻意配置重複的關鍵零組件），佈建了場效應電晶體（FET）等各種離散元件，希望能持續監控與啟用特定電源軌，最後卻導致設計過度複雜。
並非所有高功率元件隨時都處於導通狀態，因此若能開關連通負載或處理器的電源，不只有助簡化設計，也能降低功耗。此外，如果功率元件發生閂鎖效應（latch-up）或瞬態現象，電源供應設計人員必須思考如何在該輸電軌道（power rail）的功率恢復前抑制故障，或者由備援輸電軌道接續運作。
運用eFuse簡化設計
為了實現衛星負載的備援輸入，需要離散式金屬氧化物半導體場效應電晶體（MOSFET）、比較器、放大器與能提供衛星負載輸入功率的參考基準等必要元件，同時配置相應的監控與保護機制。這類的電源供應設計不只體積較大，且存在多個潛在輻射與電氣故障點。圖一為這類複雜實作的範例。
圖一：採用離散式元件，具有反向電流保護（RCP）、過電壓保護（OVP）與過電流保護（OCP）性能的負載開關備援應用
如TPS7H2201-SP負載開關此類的eFuse提供額外的監控與保護功能，例如反向電流保護、過電壓與欠壓保護、可程式化電流限制、故障定時器與可配置上升時間（rise time）等，能降低設計複雜度，打造單一單晶片抗輻射裝置。
備援
發生完全失效時，如果有兩個完全自主的電源供應，eFuse能啟動其中一個電源，並切斷另一個。此種配置稱為備援（redundancy），能保護下游與上游元件。圖二與圖三顯示冷備援（cold sparing）的不同實作。
圖二：採用TPS7H2201-SP eFuse的備援輸入電壓，包含RCP、OVP、OCP與自動重設跳脫輸電軌道功能
圖三：採用eFuse的備援輸入與輸出電壓，包含RCP、OVP、OCP與自動重設跳脫輸電軌道功能
雖然能透過處理器控制MOSFET，實現簡單的開關功能，但是保持運作流暢的關鍵之一在於反向電流保護。在冷備援應用中，次級開關關閉時，可能會因輸出電壓高於輸入電壓而產生反向電流(VOUT > VIN)。使用兩個FET背對背連接的設計能避免反向電流傳播至上游零組件。TI的TPS7H2201-SP具有雙FET設計，在元件開啟或關閉時皆能提供反向電流保護，對於打造可靠的負載點電源設計至關重要。市面上其他離散式或整合式負載開關解決方案在設計上可能採用單一FET，反向電流保護能力也有限。
故障抑制（failure containment）
為了確保電源供應的穩健性能，故障抑制是另一個重要設計考量。故障抑制的目標在於避免隨機故障（如短路或輻射造成的瞬態現象）造成下游零組件（如FPGA、資料轉換器或介面元件等）毀損，方法可如圖四所示，將整合式eFuse配置於關鍵功率零組件的下游。可程式化電流與電壓限制功能也有助偵測過電壓或過電流事件，保護下游元件。
圖四：下游eFuse的過電壓保護
總結
在設計中擴充監控關鍵負載功率元件（如DC/DC轉換器）功能、為輸入元件配置備援以因應故障，都有助電源對抗嚴苛的環境條件，維持流暢運作。相較於採用多種主動元件的複雜電路設計、提高處理器負載，TPS7H2201-SP此類裝置為多功能解決方案，整合了開關FET功能、過電壓與過電流保護電路、反向電流保護電路，以及可程式化電壓與電流限制。此外，eFuse更獲得美國國防部合格製造商名單（QML）第五級耐輻射認證，可勝任中低軌道及地球同步軌道等衛星任務。
其他資源
- 閱讀應用報告「太空船負載點電源供應的故障抑制」，獲得更多關於故障抑制的資訊
- 閱讀技術文章「零故障指南：透過整合功能與保護，強化衛星性能」
- 閱讀以下報告，深入了解TP7H2201的耐輻射性能：
