Sistema di Alimentazione del Satellite AtmoCube

Università degli Studi di TriesteDipartimento di Elettrotecnica, Elettronica, Informatica

11.12.2006

Tesi di Laurea Triennale in Ingegneria Elettronica Applicata

Relatore: Prof. Mario Fragiacomo Correlatore: Prof. Sergio Carrato

Laureando: Walter Caharija

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Obiettivo

Alta Efficienza Elevata Affidabilità

Realizzare una possibile soluzione per il sistema di alimentazione di AtmoCube con:

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Presupposti

Energia convertita dai pannelli Sistema MPPT Operatività del satellite Consumi dei vari dispositivi Requisiti EMC Condizioni ambientali

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ArchitetturaSchema a blocchi del satellite:

GPS

RICETRASMETTITORE

STRUMENTAZIONE

CONTROLLO & DATI

ALIMENTAZIONE

MAGN.SPETTRO

DOSIMETRO

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Architettura

Elevata Affidabilità Elevata Ridondanza

Architettura Distribuita, ogni blocco del satellite avrà la sua alimentazione

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Architettura

RICETRASMETTITORE(Tx/Rx)

CONTROLLO &DATI

ALIMENTAZIONEMAGNETOMETRO

ALIMENTAZIONESPETTRO

DOSIMETRO

ALIMENTAZIONEGPS

ALIMENTAZIONECONTROLLO & DATI

ALIMENTAZIONERICETRASMETTITORE

SORGENTE DI ENERGIA

MAGN. SPETTRODOSIMETRO

GPS

Schema a blocchi del sistema di alimentazione:

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Architettura

PA

SORGENTE DI ENERGIA

ALIMENTAZIONESWITCH

ALIMENTAZIONEPA

ALIMENTAZIONELNA

ANTENNA

SWITCH

RICETRASMETTITORE (Rx/Tx)

Tx

Rx

MODEMADF7020

LNA

ALIMENTAZIONEMODEM

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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)

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Bilancio Energetico

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Bilancio Energetico

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Alimentazione PA

PA

SORGENTE DI ENERGIA

ALIMENTAZIONESWIITCH

ALIMENTAZIONEPA

ALIMENTAZIONELNA

ANTENNA

SWITCH

RICETRASMETTITORE (Rx/Tx)

Tx

Rx

MODEMADF7020

LNA

ALIMENTAZIONEMODEM

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Alimentazione PA

Requisiti: Tensione di ingresso 9-12V Tensione di uscita 5V Corrente massima 2A Alto rendimento Basse emissioni EM Ripple di tensione limitato

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Alimentazione PA

Soluzione:Convertitore DC/DC a commutazione (alta efficienza) con regolatore buck integrato LT3481 (Linear Tech.)

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Alimentazione PA

Caratteristiche alimentatore a LT3481: 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

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Alimentazione PA

Caratteristiche alimentatore a LT3481: Indispensabile un’ottima schermatura e

un PCB layout accurato per ridurre le emissioni EM

Ripple di uscita impulsivo (20mV picco-picco) ma eliminabile mediante un buon filtro LC

Transitorio di accensione: ~100μs

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Alimentazioni da 3.3V e 5V a bassa potenza

RICETRASMETTITORE(Tx/Rx)

CONTROLLO &DATI

ALIMENTAZIONEMAGNETOMETRO

ALIMENTAZIONESPETTRO

DOSIMETRO

ALIMENTAZIONEGPS

ALIMENTAZIONECONTROLLO & DATI

ALIMENTAZIONERICETRASMETTITORE

SORGENTE DI ENERGIA

MAGN. SPETTRODOSIMETRO

GPS

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Alimentazioni da 3.3V e 5V a bassa potenza

PA

SORGENTE DI ENERGIA

ALIMENTAZIONESWITCH

ALIMENTAZIONEPA

ALIMENTAZIONELNA

ANTENNA

SWITCH

RICETRASMETTITORE (Rx/Tx)

Tx

Rx

MODEMADF7020

LNA

ALIMENTAZIONEMODEM

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Alimentazioni da 3.3V e 5V a bassa potenza

Requisiti Tensione di ingresso 9-12V Tensione di uscita 3.3V o 5V Corrente massima 100-200mA Alto rendimento Basse emissioni EM

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Alimentazioni da 3.3V e 5V a bassa potenza

Soluzione:

Convertitore DC/DC a commutazione con regolatore buck integrato LT3470 (Linaer Tech.)

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Alimentazioni da 3.3V e 5V a bassa potenza

Caratteristiche alimentatore a LT3470: Semplicità circuitale Controllo ad isteresi della tensione di

uscita Frequenza di commutazione dipendente

dal carico Non è necessaria alcuna compensazione

in frequenza

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Alimentazioni da 3.3V e 5V a bassa potenza

Caratteristiche alimentatore a LT3470: 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

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Alimentazione del MODEM ADF7020

PA

SORGENTE DI ENERGIA

ALIMENTAZIONESWITCH

ALIMENTAZIONEPA

ALIMENTAZIONELNA

ANTENNA

SWITCH

RICETRASMETTITORE (Rx/Tx)

Tx

Rx

MODEMADF7020

LNA

ALIMENTAZIONEMODEM

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Alimentazione del MODEM ADF7020

Requisiti: 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

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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.

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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%

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Interruttori elettronici a MOSFET

RICETRASMETTITORE(Tx/Rx)

CONTROLLO &DATI

ALIMENTAZIONEMAGNETOMETRO

ALIMENTAZIONESPETTRO

DOSIMETRO

ALIMENTAZIONEGPS

ALIMENTAZIONECONTROLLO & DATI

ALIMENTAZIONERICETRASMETTITORE

SORGENTE DI ENERGIA

MAGN. SPETTRODOSIMETRO

GPS

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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

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Interruttori elettronici a MOSFET

Soluzione:Interruttore con P-MOS IRF5210

0

3

1

2

4

5Q1 BC547C/PLP

M1

IRF5210

2

1

3

C14.7u

J1

CON1

123

J2

CON2

12

R2

82k

R1

10k

R3

1MEG

CON1:1 BATTERIA (9-12V)2 MICROCONTROLLORE (TTL)3 GND

CON2:1 TENSIONE DI USCITA2 GND

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Interruttori elettronici a MOSFET

Caratteristiche: 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)

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PCB Alimentatori Switching

Loop di correnteIrradiano armoniche alla frequenza di commutazione e multipli (quindi anche in RF)

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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

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PCB Alimentatori Switching

Layout Alimentatore SW LT3481

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PCB Interruttore a MOSFET

Layout Interruttore a MOSFET

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PCB Interruttore a MOSFET

PCB Interruttore a MOSFET

Lato componenti Lato rame

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FINE