電流センスアンプが衛星の状態を監視する方法
宇宙の衛星が地球上でどのように動いているかをどうやって知ることができますか？電流センスアンプまたはCSAがいくつかの衛星監視システムの重要な部分である方法を学びます。
いくつかの民間衛星会社が大きな影響を与えて宇宙セクターに参入し、かつては主に政府が資金提供したこの活動に革命をもたらしました。これらの企業は、他の多くの企業とともに、低軌道、中軌道、静止赤道軌道向けの通信メガコンステレーション、堅牢なレーダーネットワーク、および強化された光学イメージングプラットフォームを開発しています。
これらの使命により、多くの設計者は、オペアンプ（op-amps）やトランジスタなどの単純なディスクリートコンポーネントに基づいて衛星設計を行うことから、より高度に統合されたマイクロ回路を採用するようになりました。これにより、設計作業、組み立て、テストの時間を節約できます。
この記事では、CSAが、電力レール電流監視、負荷点検出、モータードライブ制御などの機能を実装することにより、衛星配電システムやその他のさまざまな電気部品の状態と機能を監視する方法について説明します。電流センスアンプ（CSA）は、衛星の電子システム全体のさまざまなアプリケーションに最適です。
CSAの基本
CSAは、ハイサイドとローサイドの両方のセンシング設計を可能にします。負荷の前後にシャント抵抗を使用するようにシステムを構成できます（図1 を参照）。 ）過電流イベントなど、予想される供給負荷電流の異常を監視します。
図1。 ハイサイドとローサイドの実装
表1 ハイサイド実装とローサイド実装のトレードオフを要約します。どちらの構成にも、システム設計者がCSAで何を達成しようとしているかに応じて、長所と短所があります。
| ハイサイド | ローサイド | |
| 実装 | ||
| 地面の乱れの影響を受けやすい | ||
| 共通電圧 | ||
| 同相信号除去比の要件 | ||
| ロードショート検出 |
表1。 ハイサイドとローサイドのセンシング
鉄道監視
衛星におけるCSAの最も一般的な使用例の1つは、主要な電源レールの入力電流を監視して、単一イベントの過渡現象を検出することです。 CSAの機能は、入力ピンへの供給電圧よりも高い電圧の印加を処理できるため、コモンモード入力ピンの電圧がオペアンプの供給電圧によって制限される従来のオペアンプやその他のディスクリートアプローチよりも設計の柔軟性が高くなります。アンプ。 CSAを使用して主電源レールを監視する場合、負荷の高い側または低い側にシャント抵抗を配置できます。通常、主電源レールを監視する場合はハイサイドが推奨される設定であるため、CSAを活用してシステム保護のための負荷短絡を検出し、完全なシステム障害を回避できます。
ポイントオブロード検出
CSAを活用して、過電流保護、システム最適化、または閉ループフィードバックの負荷点検出を実行できます。これらはすべて、重要なシステムコンポーネントに関するデータを収集し、特定のシステム負荷の正常性または消費電力を判断するための便利な方法です。 。システムは、CSAからのデータを使用して、セルフキャリブレーション、短絡検出、パワーアンプ（PA）やその他のさまざまな電子システムなどの負荷コンポーネントへの電流の抑制などのデータ駆動型の決定を行い、適切な動作を保証します。 CSAの精度、高電圧範囲、および供給電圧に依存しないコモンモード範囲により、ミッションクリティカルなコンポーネントをより簡単に監視し、ミッションの成功を確実にすることができます。
過電流保護
図2 は、トリップレベルを設定するために定義された基準電圧を使用して、コンパレータと結合されたCSAの一般的なディスクリートセットアップを示しています。この構成では、CSAがハイサイドで使用され、センス抵抗の両端に発生する差動電圧を測定します。 CSAは、出力をコンパレータ入力とアナログ-デジタルコンバータの両方に送信します。この構成では、システムは負荷への電流を継続的に監視できます。予期しないイベントが発生した場合、高速コンパレータがトリガーされ、完全な障害を回避するためにシステムをスロットルまたはシャットダウンするデータ駆動型の決定を行います。
図2。 個別の過電流保護
Texas InstrumentsのINA901-SPは、認定メーカーリスト（QML）のクラスV宇宙グレードCSAであり、ハイサイドとローサイドの両方のセンシングが可能で、入力電圧は–15Vから65Vの範囲で、50クラド（ Si）低線量率での耐放射線性保証（RHA）仕様、およびLET EFF までのシングルイベントラッチアップ（SEL）耐性 =75 MeV-cm 2 / mgSEL。 INA901-SPは、供給レールの状態を監視し、衛星システムを過電流イベントから保護するために必要なデバイスの数を最小限に抑えるのに役立ちます。
無線周波数通信アプリケーション
通信システムは、ポイントオブロード検出の一般的なアプリケーションであり、CSAはPAの寿命全体にわたってPAの動作を制御する上で重要な役割を果たします。衛星の通信機器が電波を放送しているとき、PAのトランジスタの特定のバイアスポイントのゲート電圧を調整すると、供給される電流が制御され、システムの効率が向上します。 PAを流れる電流を制御する方法は2つあります。最初の方法である開ループの概念には、バイアスの固定制御電圧を含むいくつかの欠点があります。これは、電源変動、デバイスの経年劣化、および温度変動によって引き起こされる変動の影響を無視します。 2番目の方法は、CSAと他のいくつかのコンポーネントを活用するクローズドフィードバックの概念です。これにより、PAトランジスタのバイアスポイントを動的に制御できますが、プリント回路基板のフットプリントが大きくなります。
図3 は、PAのドレインを流れる電流を監視し、バスモニタでVDDを監視し、コンパレータで過電流保護を監視する閉ループシステムの例です。ボードスペース、コスト、精度、またはアンテナの数に関する制約に応じて、動的制御の最適な方法は異なる場合があります。ほとんどのアプローチには、バイアスを調整して効率を向上させるためのフィードバックチェーンの一部として機能するCSAが含まれています。
図3。 バス電圧、電流、および過電流フィードバック
モータードライブアプリケーション
モータードライブアプリケーションでは、モータードライバー回路がパルス幅変調（PWM）信号を生成して、モーターの動作を正確に制御します。これらの変調信号は、各モーター位相に沿って配置された監視回路の影響を受け、制御回路にフィードバック情報を提供します。 （理論上のアンプとは対照的に）実際のアンプは完全ではないため、コモンモード電圧の大きなPWM駆動の入力電圧ステップをアンプが適切に拒否できないと、出力に影響を与える可能性があります。実際のアンプには無限の同相信号除去比がなく、各入力電圧ステップに対応するアンプ出力に望ましくない変動が現れます。
図4 は、モータードライブアプリケーションでのCSAの例を示しています。赤い増幅器は、システム内のインラインCSAを配置する場所を示します。 図5 は競合するデバイスの出力を示し、図6 INA240-SEPの出力を示しています。
図4。 CSAのインライン実装（1つのフェーズのみが示されています）
図5。 競合するデバイス出力とPWM入力
図6。 INA240-SEP出力とPWM入力
これらの出力変動はかなり大きくなる可能性があり、アンプの特性によっては、入力遷移に続いて安定するまでにかなりの時間がかかる場合があります。 INA240-SEPの強化されたPWM除去技術を活用することで、PWM信号を使用するシステムの大きなコモンモードトランジェント（ΔV/Δt）を高レベルで抑制できます。これは、モータードライブやソレノイドのアプリケーションで特に役立ちます。この機能により、トランジェントを低減し、出力電圧に関連する回復リップルを伴う正確な電流測定が可能になります。
Texas InstrumentsのINA240-SEPは、ゲイン誤差0.2％、ゲインドリフト2.5 ppm /°C、および±25μVのオフセット電圧。このデバイスは、TIのSpace-Enhanced Plastic（Space EP）の30-krad（Si）に対する耐放射線ポートフォリオの一部であり、最大43 MeV-cm 2 のSEL耐性を備えています。 / mg、125°C、低軌道アプリケーションを対象としています。
結論
電流検出は、最適化されたパフォーマンス、改善された信頼性、システムのバイタルを保護するための状態監視など、システムに多くの利点を提供します。宇宙グレードのCSAは、非常に正確な結果で直接測定を可能にするため、最も過酷な環境でシステムが長年にわたって正しく動作するのに役立ちます。その他のTexasInstrumentsの宇宙製品については、www.ti.com / Applications / industrial / aerospace-defense / overview.html＃を参照してください。
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