Walter Caharija - Università degli Studi di Trieste

Università degli Studi di Trieste
Dipartimento di Elettrotecnica, Elettronica, Informatica
Sistema di Alimentazione
del Satellite AtmoCube
Tesi di Laurea Triennale in Ingegneria Elettronica Applicata
Relatore: Prof. Mario Fragiacomo
Correlatore: Prof. Sergio Carrato
Laureando: Walter Caharija
11.12.2006
Obiettivo
Realizzare una possibile soluzione per il sistema
di alimentazione di AtmoCube con:


11.12.2006
Alta Efficienza
Elevata Affidabilità
Walter Caharija
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Presupposti






11.12.2006
Energia convertita dai pannelli
Sistema MPPT
Operatività del satellite
Consumi dei vari dispositivi
Requisiti EMC
Condizioni ambientali
Walter Caharija
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Architettura
Schema a blocchi del satellite:
STRUMENTAZIONE
MAGN.
SPETTRO
DOSIMETRO
GPS
CONTROLLO
& DATI
RICETRASMETTITORE
ALIMENTAZIONE
11.12.2006
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Architettura
Elevata Affidabilità
Elevata Ridondanza
Architettura Distribuita, ogni
blocco del satellite avrà la sua
alimentazione
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Architettura
Schema a blocchi del sistema di alimentazione:
MAGN.
SPETTRO
DOSIMETRO
GPS
ALIMENTAZIONE
MAGNETOMETRO
ALIMENTAZIONE
SPETTRO
DOSIMETRO
ALIMENTAZIONE
GPS
SORGENTE DI ENERGIA
11.12.2006
ALIMENTAZIONE
CONTROLLO & DATI
ALIMENTAZIONE
RICETRASMETTITORE
CONTROLLO &
DATI
RICETRASMETTITORE
(Tx/Rx)
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Architettura
ANTENNA
RICETRASMETTITORE (Rx/Tx)
PA
Tx
MODEM
ADF7020
SWITCH
LNA
ALIMENTAZIONE
SWITCH
ALIMENTAZIONE
PA
Rx
ALIMENTAZIONE
LNA
ALIMENTAZIONE
MODEM
SORGENTE DI ENERGIA
11.12.2006
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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)
11.12.2006
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Bilancio Energetico
11.12.2006
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Bilancio Energetico
11.12.2006
Walter Caharija
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Alimentazione PA
ANTENNA
RICETRASMETTITORE (Rx/Tx)
PA
Tx
MODEM
ADF7020
SWITCH
LNA
ALIMENTAZIONE
SWIITCH
ALIMENTAZIONE
PA
Rx
ALIMENTAZIONE
LNA
ALIMENTAZIONE
MODEM
SORGENTE DI ENERGIA
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Alimentazione PA

Requisiti:






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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:





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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:



11.12.2006
Indispensabile un’ottima schermatura e
un PCB layout accurato per ridurre le
emissioni EM
Ripple di uscita impulsivo (20mV piccopicco) ma eliminabile mediante un buon
filtro LC
Transitorio di accensione: ~100μs
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Alimentazioni da 3.3V e 5V a
bassa potenza
MAGN.
SPETTRO
DOSIMETRO
GPS
ALIMENTAZIONE
MAGNETOMETRO
ALIMENTAZIONE
SPETTRO
DOSIMETRO
ALIMENTAZIONE
GPS
SORGENTE DI ENERGIA
11.12.2006
ALIMENTAZIONE
CONTROLLO & DATI
ALIMENTAZIONE
RICETRASMETTITORE
CONTROLLO &
DATI
RICETRASMETTITORE
(Tx/Rx)
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Alimentazioni da 3.3V e 5V a
bassa potenza
ANTENNA
RICETRASMETTITORE (Rx/Tx)
PA
Tx
MODEM
ADF7020
SWITCH
LNA
ALIMENTAZIONE
SWITCH
ALIMENTAZIONE
PA
Rx
ALIMENTAZIONE
LNA
ALIMENTAZIONE
MODEM
SORGENTE DI ENERGIA
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Alimentazioni da 3.3V e 5V a
bassa potenza

Requisiti





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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:




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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:





11.12.2006
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
ANTENNA
RICETRASMETTITORE (Rx/Tx)
PA
Tx
MODEM
ADF7020
SWITCH
LNA
ALIMENTAZIONE
SWITCH
ALIMENTAZIONE
PA
Rx
ALIMENTAZIONE
LNA
ALIMENTAZIONE
MODEM
SORGENTE DI ENERGIA
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Alimentazione del MODEM
ADF7020

Requisiti:





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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
MAGN.
SPETTRO
DOSIMETRO
GPS
ALIMENTAZIONE
MAGNETOMETRO
ALIMENTAZIONE
SPETTRO
DOSIMETRO
ALIMENTAZIONE
GPS
SORGENTE DI ENERGIA
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ALIMENTAZIONE
CONTROLLO & DATI
ALIMENTAZIONE
RICETRASMETTITORE
CONTROLLO &
DATI
RICETRASMETTITORE
(Tx/Rx)
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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
M1
IRF5210
1
3
J2
2
4
1
2
R1
CON2
10k
1
J1
1
2
3
3
C1
4.7u
CON2:
1 TENSIONE DI USCITA
2 GND
CON1
R2
2
CON1:
1 BATTERIA (9-12V)
2 MICROCONTROLLORE (TTL)
3 GND
Q1
BC547C/PLP
5
82k
R3
1MEG
0
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Interruttori elettronici a
MOSFET

Caratteristiche:





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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 corrente
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Irradiano 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
11.12.2006
Walter Caharija
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PCB Interruttore a MOSFET
Layout Interruttore a MOSFET
11.12.2006
Walter Caharija
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PCB Interruttore a MOSFET
PCB Interruttore a MOSFET
Lato componenti
11.12.2006
Lato rame
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Università degli Studi di Trieste
Dipartimento di Elettrotecnica, Elettronica, Informatica
Sistema di Alimentazione
del Satellite AtmoCube
FINE