在衛星產業中，對更高性能電源系統 (EPS) 的需求成長源於對本地資料處理需求的急劇增加、對更高吞吐量通訊鏈路的支援以及電力推進系統的迅速採用。EPS 是衛星匯流排區段的一部分，提供結構支撐和外殼子系統，例如電力、散熱管理、通訊和推進，並且產生、儲存、調節和分配電力到衛星上的所有其他子系統和有效負載。
由於太空任務的獨特挑戰和種種限制，因此必須對尺寸、重量與功率 (SWaP) 進行最佳化。以下是 SWaP 在衛星設計中如此重要的部分原因：
- 任務要求：資料傳輸速率、解析度和靈敏度等要求會影響衛星的 SWaP 要求。
- 發射限制：衛星有尺寸限制、重量限制和發射成本限制，根據預定軌道，這些限制可能是每公斤 10.00 美元到 1000.00 美元。
- 發電：衛星通常依賴於太陽能電池板，而電池板的尺寸和重量則限制發電量。發電能力還會影響元件 (例如電池) 的重量和尺寸，以及配電和散熱管理等功能。
- 運轉效率：SWaP 最佳化能夠讓衛星能夠在太空中更有效率地運作，進而獲得更好的性能和更長的任務壽命。
由於電力是衛星上最寶貴的資源之一，因此大幅提高 EPS 效率有助於延長任務壽命、減少質量和體積，並大幅減少散熱管理開銷。
除了效率之外，由於電源拓撲結構的數量眾多，EPS 還必須處理各種電壓和電流。圖 1 顯示一些最常見的拓撲結構。
圖 1：衛星電源架構中常見的電源拓撲結構
典型衛星 EPS 的元件和功能如圖 2 所示：
- 太陽能電池板 (或發電)：太陽能電池板是大多數衛星的主要電源。
- 電池 (或儲能)：電池在白天儲存太陽能電池板產生的多餘電力，並在日食期間或太陽能電池板無法產生足夠電力時為衛星提供電力。
- 電力調節單元 (PCU)：PCU 調節太陽能電池板和電池的電力輸出，為衛星的其餘部分提供穩定一致的電壓和電流。
- 配電單元 (PDU)：PDU 將太陽能電池板和電池產生的電力分配給衛星上的各個子系統和有效負載。
- 備用電源：如果主要 EPS 發生故障，備用電源將有助於維持最基本的功能，直到主要系統恢復。
圖 2：典型的衛星 EPS
在這些類型的系統中，改善 SWaP 設計挑戰的方法之一，便是使用脈衝寬度調變 (PWM) 控制器。例如，輻射強化的 TPS7H5001-SP (100 krad TID，75 MeV⋅cm2/mg) 和耐輻射的 TPS7H5005-SEP (耐輻射 30 至 50 krad TID，43 MeV⋅cm2/mg) 控制器系列實現在 EPS 中的許多電路使用通用電源架構，因此能支援多種不同的任務和不同的軌道。
為了協助工程師最佳化其衛星電源系統中的 SWaP，以下參考設計在衛星的各種電源電路中使用航太級 PWM 控制器，不僅用在 EPS 中，而且也用在選定的有效負載板上：
- 隔離式返馳設計：
- 100 W 隔離式同步返馳拓撲結構，支援 22 V 至 36 V 輸入和 5 V 輸出，並在功率級中使用 GaN FET。
- 此設計針對僅需要單一輸出的電源拓撲結構進行最佳化。
- 非隔離高電流雙相降壓設計：
- 此設計在支援 11 V 至 14 V 輸入和 1 V 輸出的單相同步降壓拓撲結構中使用 TPS7H5001-SP 控制器，並在功率級中使用 GaN FET。該設計能夠支援 20 A 電流，並保持嚴格的 DC 和 AC 容差。
- 您可以將此設計擴展為針對需要高電流 (>50 A) 和低輸入電壓 (低於 1 V) 的有效負載設計進行最佳化的多相解決方案，為一些進階現場可編程閘極陣列和多核心中央處理單元的核心電源軌供電。
結論
由於電力是衛星上最寶貴的資源之一，EPS 架構可以對整體設計產生重大影響。TI 經過輻射驗證的 PWM 控制器系列具備高效率並支援廣泛的拓撲結構，並提供可部署在各種任務和軌道中的架構。
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