sistema di alimentazione del satellite atmocube università degli studi di trieste dipartimento di...
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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
Sistema di Alimentazione del Satellite AtmoCube
Università degli Studi di TriesteDipartimento di Elettrotecnica, Elettronica, Informatica
FINE