电流检测放大器如何监控卫星健康状况

我们怎么知道太空中的卫星在地球上的表现如何？了解电流检测放大器或 CSA 如何成为多个卫星监测系统的关键部分。

几家商业卫星公司已进入太空领域并产生重大影响，彻底改变了这一一度主要由政府资助的活动。这些公司与许多其他公司一起，正在为低地球轨道、中地球轨道和地球静止赤道轨道开发电信巨型星座、强大的雷达网络和增强型光学成像平台。

这些任务促使许多设计人员将卫星设计从基于运算放大器 (op-amps) 或晶体管等简单分立元件的卫星设计转向高度集成的微电路，这有助于节省设计工作、组装和测试的时间。

在本文中，我们将讨论 CSA 如何通过实施电源轨电流监控、负载点检测和电机驱动控制等功能来监控卫星配电系统和各种其他电气组件的健康状况和功能。电流检测放大器 (CSA) 非常适合整个卫星电子系统的各种应用。

CSA 基础

CSA 支持高端和低端传感设计；您可以将系统配置为在负载之前或之后具有一个分流电阻器（如图 1 所示） ) 以监控预期传送的负载电流中的异常情况，例如过流事件。

图 1. 高端和低端实现

表一 总结了高端和低端实现的权衡。两种配置各有优缺点，具体取决于系统设计人员希望通过 CSA 实现的目标。

表 1。 高端与低端感应

铁路监控

卫星中 CSA 最常见的用例之一是监控主电源轨输入电流以检测单事件瞬变。与传统运算放大器或其他分立方法相比，CSA 能够处理大于电源电压的电压施加到其输入引脚，从而提供更大的设计灵活性，在传统运算放大器或其他分立方法中，共模输入引脚电压受运算放大器的电源电压限制。放大器使用 CSA 监控主电源轨时，您可以在负载的高侧或低侧放置一个分流电阻器。在监控主电源轨时，高压侧通常是首选设置，因此您可以利用 CSA 检测负载短路以保护系统并帮助避免完全系统故障。

负载点检测

可以利用 CSA 执行负载点检测以进行过流保护、系统优化或闭环反馈，这些都是收集有关重要系统组件的数据并确定特定系统负载的健康状况或功耗的有用方法.使用来自 CSA 的数据，系统可以做出数据驱动的决策，例如自校准、短路检测或节流到负载组件（如功率放大器 (PA) 和其他各种电子系统）的电流，并确保正常运行。 CSA 的精度、高电压范围和独立于电源电压的共模范围可以更轻松地监控关键任务组件并帮助确保任务成功。

过流保护

图 2 显示了与比较器耦合的 CSA 的常见离散设置，使用定义的参考电压来设置跳闸电平。在此配置中，CSA 用于高侧并测量检测电阻器两端产生的差分电压。 CSA 将输出发送到比较器输入和模数转换器。通过这种配置，系统可以持续监测到负载的电流；如果发生意外事件，快速比较器将触发并做出数据驱动的决定来限制或关闭系统以避免完全失败。

图 2. 分立式过流保护

德州仪器 (TI) 的 INA901-SP 是合格制造商列表 (QML) V 类空间级 CSA，能够进行高端和低端检测，输入电压范围为 –15 V 至 65 V，50 krad ( Si) 低剂量率下的抗辐射 (RHA) 规范，以及高达 LETEFF =75 MeV-cm ² 的单事件闩锁 (SEL) 抗扰度 /mg SEL。 INA901-SP 有助于最大限度地减少监控电源轨运行状况和保护卫星系统免受过流事件所需的设备数量。

射频通信应用

通信系统是负载点检测的常见应用，其中 CSA 在控制 PA 的整个生命周期的运行方面发挥着至关重要的作用。当卫星的通信设备广播无线电波时，调整 PA 中晶体管特定偏置点的栅极电压可控制传输的电流，以帮助提高系统效率。有两种方法可以控制流过 PA 的电流。第一种方法是开环概念，它有一些缺点，包括偏置的固定控制电压，它忽略了电源变化、器件老化和温度波动引起的波动的影响。第二种方法是利用 CSA 和其他几个组件的封闭反馈概念，它可以动态控制 PA 晶体管的偏置点，但会导致更大的印刷电路板占用空间。

图 3 是一个闭环系统监控流经 PA 漏极的电流、使用总线监控器监控 VDD 以及使用比较器进行过流保护的示例。根据您对电路板空间、成本、精度或天线数量的限制，动态控制的最佳方法可能会有所不同。大多数方法都包含一个 CSA 作为反馈链的一部分，以调整偏差并提高效率。

图 3。 母线电压、电流和过流反馈

电机驱动应用

在电机驱动应用中，电机驱动电路产生脉宽调制 (PWM) 信号以精确控制电机的运行。这些调制信号受制于与每个电机相位对齐的监控电路，监控电路为控制电路提供反馈信息。由于实际放大器（与理论放大器相反）并不完美，放大器未能充分抑制共模电压的大 PWM 驱动输入电压阶跃可能会影响输出。现实世界中的放大器没有无限的共模抑制，并且在每个输入电压阶跃对应的放大器输出处会出现不希望的波动。

图 4 显示了电机驱动应用中的 CSA 示例。红色放大器指示在系统中放置内联 CSA 的位置。 图 5 显示了竞争设备的输出，而图 6 显示 INA240-SEP 的输出。

图 4。 CSA 的内联实现（仅显示一个阶段）

图 5。 竞争设备输出与 PWM 输入

图 6. INA240-SEP 输出 vs. PWM 输入

这些输出波动可能相当大，并且根据放大器的特性，在输入转换之后可能需要很长时间才能稳定下来。利用 INA240-SEP 中的增强型 PWM 抑制技术有助于为使用 PWM 信号的系统中的大共模瞬变 (ΔV/Δt) 提供高水平的抑制，这在电机驱动和螺线管应用中尤其有用。此功能可实现准确的电流测量，同时减少输出电压上的瞬态和相关恢复纹波。

德州仪器 (TI) 的 INA240-SEP 是一款超精密器件，能够提供 –4V 至 80V 的共模电压，增益误差为 0.2%，增益漂移为 2.5 ppm/°C，并且±25 μV 的失调电压。该器件是 TI 空间增强型塑料 (Space EP) 耐辐射产品组合的一部分，耐辐射达 30-krad(Si)，SEL 抗扰度高达 43 MeV-cm ² /mg at 125°C，针对近地轨道应用。

结论

电流传感为系统提供了许多好处，包括优化性能、提高可靠性和状态监测以保护系统生命体征。由于航天级 CSA 能够以高度准确的结果进行直接测量，因此它们可以帮助系统在最恶劣的环境中正确运行多年。如需了解更多德州仪器太空产品，请访问 www.ti.com/applications/industrial/aerospace-defense/overview.html#。

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