Sistema di Alimentazione del Satellite AtmoCube

1. Sistema di Alimentazione del Satellite AtmoCube Tesi di Laurea Triennale in Ingegneria Elettronica Applicata Relatore: Prof. Mario Fragiacomo Correlatore: Prof. Sergio Carrato Università degli Studi di Trieste Dipartimento di Elettrotecnica, Elettronica, Informatica Laureando: Walter Caharija 11.12.2006

2. Obiettivo • Alta Efficienza • Elevata Affidabilità Realizzare una possibile soluzione per il sistema di alimentazione di AtmoCube con: Walter Caharija

3. Presupposti • Energiaconvertita dai pannelli • Sistema MPPT • Operatività del satellite • Consumi dei vari dispositivi • Requisiti EMC • Condizioni ambientali Walter Caharija

4. Architettura Schema a blocchi del satellite: Walter Caharija

5. Architettura Elevata Affidabilità Elevata Ridondanza Architettura Distribuita, ogni blocco del satellite avrà la sua alimentazione Walter Caharija

6. Architettura Schema a blocchi del sistema di alimentazione: Walter Caharija

7. Architettura Walter Caharija

8. 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) Walter Caharija

9. Bilancio Energetico Walter Caharija

10. Bilancio Energetico Walter Caharija

11. Alimentazione PA Walter Caharija

12. Alimentazione PA • Requisiti: • Tensione di ingresso 9-12V • Tensione di uscita 5V • Corrente massima 2A • Alto rendimento • Basse emissioni EM • Ripple di tensione limitato Walter Caharija

13. Alimentazione PA • Soluzione: Convertitore DC/DC a commutazione (alta efficienza) con regolatore buck integrato LT3481 (Linear Tech.) Walter Caharija

14. 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 Walter Caharija

15. 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 Walter Caharija

16. Alimentazioni da 3.3V e 5V a bassa potenza Walter Caharija

17. Alimentazioni da 3.3V e 5V a bassa potenza Walter Caharija

18. 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 Walter Caharija

19. Alimentazioni da 3.3V e 5V a bassa potenza • Soluzione: Convertitore DC/DC a commutazione con regolatore buck integrato LT3470 (Linaer Tech.) Walter Caharija

20. 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 Walter Caharija

21. 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 Walter Caharija

22. Alimentazione del MODEM ADF7020 Walter Caharija

23. 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 Walter Caharija

24. Alimentazione del MODEM ADF7020 • Soluzione: Utilizzo del regolatore lineare LT1761 della Linear Tech. (lowdropout ed elevata reiezione del ripple) da 3.3V, con passo intermedio a 4V mediante un convertitore switching LT3470, per questioni di efficienza. Walter Caharija

25. 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% Walter Caharija

26. Interruttori elettronici a MOSFET Walter Caharija

27. 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 Walter Caharija

28. Interruttori elettronici a MOSFET • Soluzione: Interruttore con P-MOS IRF5210 Walter Caharija

29. 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) Walter Caharija

30. PCBAlimentatoriSwitching Irradiano armoniche alla frequenza di commutazione e multipli (quindi anche in RF) Loop di corrente Walter Caharija

31. 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 Walter Caharija

32. PCB Alimentatori Switching Layout Alimentatore SW LT3481 Walter Caharija

33. PCB Interruttore a MOSFET Layout Interruttore a MOSFET Walter Caharija

34. PCB Interruttore a MOSFET PCB Interruttore a MOSFET Lato componenti Lato rame Walter Caharija

35. Sistema di Alimentazione del Satellite AtmoCube Università degli Studi di Trieste Dipartimento di Elettrotecnica, Elettronica, Informatica FINE