CC BY
91УДК 621.316.722.1
ПРОБЛЕМЫ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ РАДИАЦИОННО-СТОЙКИХ ИВЭП ДЛЯ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ КОСМИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ
А. А. Афанасьев
АО «Научно-производственное предприятие «ЭлТом»
Российская Федерация, 140070, Московская область, Люберецкий район, пгт. Томилино, ул. Гаршина, 11
Е-mail: opr5@eltom.ru
Описаны особенности разработки современных радиационно-стойких преобразователей напряжения для систем электропитания космической аппаратуры, выявлены основные проблемы при проектировании и сформулированы предложения для их преодоления.
Ключевые слова: источник вторичного электропитания, электронная компонентная база, радиоэлектронная аппаратура, импортозамещение.
PROBLEMS IN THE DESIGN OF RADIORESISTANT SECONDARY POWER SUPPLIES FOR POWER SUPPLY SYSTEMS IN SPACECRAFT HARDWARE
A. A. Afanasyev
JSC "Scientific-production enterprise "ElTom" 11, Garshina Str., Tomilino village, Lyuberetsky district, Moscow region, 140070, Russian Federation
Е-mail: opr5@eltom.ru
The article describes the features of the development of modern radioresistant voltage converters for power supply systems in space equipment, identifies the main problems in their design and formulates proposals to overcome them.
Keywords: secondary power supply, electronic component, radio-electronic equipment, import substitution.
В последнее время для построения систем электропитания космических летательных аппаратов используются унифицированные радиационно-стойкие модули питания, производимые иностранными компаниями Crane (торговая марка InterPoint), International Rectifier, VPT Inc [1; 2].
Предприятие АО «Н1 II I «ЭлТом» в рамках программы импортозамещения разработало и в данный момент серийно осваивает модули питания, которые являются функциональными и конструктивными аналогами наиболее популярных серий. В табл. 1 приведена информация по соответствию сериям ИВЭП.
При проведении опытно конструкторских работ по созданию радиационно-стойких ИВЭП выявились проблемы, препятствующие в полной мере созданию полноценных иностранных аналогов.
Одной из главных проблем при создании конкурентно-способной РЭА является состояние элементной базы.
Сравнительный анализ основных электрических и масса-габаритных характеристик электронных компонентов российского производства категории качества «ВП» и элементов иностранного производства качества «military» и «space», показывает отставание по основным параметрам, в частности:
- керамические конденсаторы по удельной ёмкости;
- полупроводниковые диоды Шотки по прямому падению напряжения;
- полевые МДП транзисторы по сопротивлению открытого канала и по полному заряду;
- микросхемы ШИМ контроллеров по номенклатуре типов управления;
- магнитопроводы по типам конструктивного исполнения.
Вторая проблема, это отсутствие SPICE-моделей отечественных электронных компонентов для проведения схемотехнического моделирования разрабатываемых изделий.
Схемы источников питания включают в себя значительное количество электронных компонентов. Ручной расчет схемы представляет собой чрезвычайно сложную задачу. На помощь разработчику приходят различные системы автоматического проектирования РЭА. Для анализа электронных схем используются программы моделирования, работающие со SPICE-моделями электронных компонентов. Основные задачи этих программ проведение анализа работы схемы во временной и частотной области, проведение параметрической оптимизации, проведению статистического анализа при определенном разбросе параметров электронных компонентов.
При помощи программы моделирования можно провести сравнительный анализ возможных топологии силовой части преобразователя по основным параметрам - мощности потерь в электронных компонентах, коэффициенту полезного действия преобразователя, оценить амплитудные и действующие значения токов и напряжения в схеме, определить пульсацию входного тока и выходного напряжения. Меняя режимы работы преобразователя, можно получить исходные данные по загрузке электронных компонен-
Электронная компонентная база щ>смических,систем
тов по току, напряжению и мощности. Эти данные можно использовать для проведения предварительного расчета надёжности изделия.
Для исследования динамических свойств импульсного преобразователя напряжения можно рассматривать его как непрерывную систему. Переход к непрерывной системе преобразователя основывается, во-первых, на представлении силовой части в виде непрерывного звена и, во-вторых, на представлении управляющей части, включая ШИМ, в виде непрерывных звеньев системы. Полученная линейная эквивалентная схема преобразователя легко вводится в программу моделирования SPICE [3]. Частотный анализ схемы между входом управления и выходом преобразователя позволяет определить запасы по устойчивости коэффициента усиления и фазы.
Применение в качестве аналогов модели импортных компонентов не всегда адекватны реальным компонентам. Проведение моделирования с применением моделей аналогов приводит к увеличению погрешности при оценке параметров разрабатываемых схем.
Отдельно хотелось бы отметить отсутствие моделей для исследования радиационного поведения электронных компонентов и схем, а также методических материалов по проведению моделирования воздействия ионизирующего излучения.
Третья по значимости проблема, это сроки поставки электронных компонентов. Для проведения исследования поведения РЭА, после этапа схемотехниче-
ского моделирования необходимо изготовить макеты и экспериментальные образцы. Очень часто новые разработки требуют уменьшения размера изделия, увеличения КПД, улучшения других электрических параметров. Без применения новых электронных компонентов получить результат бывает очень трудно или невозможно.
В табл. 2 приведен пример сроков поставок электронных компонентов за 2017-2018 год.
При значительных сроках поставок электронных компонентов приходится использовать ближайшие аналоги. Однако полученный таким образом макет или экспериментальный образец по своим характеристикам не отражает реальных возможностей будущего изделия.
Следующая проблема, связана с новыми требованиями по стойкости к воздействию тяжёлых заряженных частиц ТЗЧ к аппаратуре космического применения. Эти требования стали предъявляется не так давно и на большую часть электронных компонентов значений по стойкости, нет. Предприятия производители электронных компонентов, специальную работу по включению в ТУ дополнительных данных по стойкости к ТЗЧ не ведут.
АО «НПП «ЭлТом» в рамках проведения ОКР, провела испытания по определению характеристик стойкости к воздействию ТЗЧ у следующих серий модулей питания - РМП, РМПЕ, ГРМПВ, КП, СМПВ, СМПН.
Таблица 1
Таблица соответствия серий ИВЭП
Серии Серии ИВЭП ивх, В Pвых, Вт 1вых макс, А Количество Расположение
импортных ИВЭП АО НПП ЭлТом выходных каналов выводов
Crane (InterPoint )
SLH28S СМПВ1,5ОВ 28 1,5 0,06 1 Вертикальное
SLH28D СМПВ 1,5 ДВ 28 1,5 0,15 2 Вертикальное
SMSA28S СМПВ5,0ОВ 28 5 1,52 1 Вертикальное
SMSA28D СМПВ5,0ДВ 28 5 0,5 2 Вертикальное
SMHF28S СМПВ15ОВ 28 15 2,4 1 Вертикальное
SMHF28D СМПВ 15 ДВ 28 15 1,5 2 Вертикальное
SMTR28S СМПВ30ОВ 28 30 5,45 1 Вертикальное
SMTR28D СМПВ30ДВ 28 30 2,5 2 Вертикальное
SMTR28T СМПВ30ТВ 28 30 4,2 / 0,37 3 Горизонтальное
SMFL28S СМПВ65ОВ 28 65 12,12 1 Горизонтальное
SMFL28D СМПВ65ДВ 28 65 5,5 2 Горизонтальное
SMFLHP28S СМПВ100ОВ 28 100 16 1 Горизонтальное
SMFLHP28D СМПВ 100 ДВ 28 100 8 2 Горизонтальное
SMP120S - 100 49 8 1 Горизонтальное
- СМПН65ОВ 100 65 10 1 Горизонтальное
- СМПН100ОВ 100 100 16 1 Горизонтальное
VPT Inc.
SVSA28S ГРМПВ05ОВ 28 6 1,21 1 Вертикальное
SVSA28D ГРМПВ05ДВ 28 5 0,7 2 Вертикальное
SVRHF28S КП2715С 28 15 3 1 Вертикальное
SVRHF28D КП2715Д 28 15 2,1 2 Вертикальное
SVRTR28S КП2730С 28 40 6,06 1 Вертикальное
SVRTR28D КП2730Д 28 40 3,6 2 Вертикальное
International Rectifier
S28S ГРМПВ 10ОВ 28 10 3,03 1 Горизонтальное
S28D ГРМПВ 10 ДВ 28 10 1,6 2 Горизонтальное
LSO28S ГРМПВ30ОГ 28 30 7,58 1 Горизонтальное
LSO28D ГРМПВ30ДГ 28 30 4,8 2 Горизонтальное
Таблица 2
Таблица с данными по срокам поставок
Наименование Срок поставки, дней Производитель
Резисторы
Р1-12 45 АО «Ресурс»
Конденсаторы
К10-47Мв 90 АО «ВЗРД «Монолит»
К10-83 90 АО «НИИ «Гириконд»
К10-84в 120 АО «ВЗРД «Монолит»
К53-72 120 ОАО «Элеконд»
К53-68 90 ОАО «Элеконд»
Диоды
2Д290х-5 90 АО «ВЗПП-С»
2Д269х-5 90 АО «ВЗПП-С»
Транзисторы
2П7164х-5 90 АО «Ангстрем»
2ПЕ212БН 90 АО «Ангстрем»
2Т664Б-5 75 ЗАО «Группа Кремний Эл»
2Т665Б-5 75 ЗАО «Группа Кремний Эл»
Микросхемы
1319ЕУ5У 70 ЗАО «Группа Кремний Эл»
1290ЕУ3У —* ЗАО «Группа Кремний Эл»
Магнитопроводы
М1300НМС2 Ш18 90 ОАО «Завод Магнетон»
МД 50 ПАО «Мстатор»
Примечание. * - не освоено до настоящего времени.
Также была испытана серия микросхем 1303ЕНххП непрерывного мощного стабилизатора положительной полярности с низким падением напряжения между входом и выходом. Полученные данные по стойкости этих изделий были включены в соответствующие разделы ТУ.
Для создания ИВЭП с высокой энергетической эффективностью целесообразно применять топологию однотактного преобразователя с передачей энергии в импульсе и паузе [4]. В исполнениях с низким входным напряжением эту топологию необходимо дополнять схемой синхронного выпрямления. Для управления данной топологии требуются ШИМ контроллеры с двухканальным управлением.
Для ШИМ контроллеров с двухканальным управлением для аппаратуры космического применения помимо определения области безопасной работы по эффектам SEL и катастрофическим отказам, требуется информация по одиночным эффектам SET, SEFI в частности о характеристиках сбоя выходного напряжения сигналов управления и фазы между импульсами.
Для обеспечения дальнейшего улучшения электрических характеристик радиационно-стойких ИВЭП, сокращения сроков разработки и стоимости конечного изделия необходимо:
- совершенствовать элементную базу компонентов;
- предприятиям-производителям необходимо создавать актуальные SPICE-модели выпускаемой продукции;
- сокращать сроки поставки электронных компонентов и как можно быстрее осваивать новые компоненты в серийном производстве;
- разрабатывать и осваивать новые электронные компоненты, стойкие к воздействиям ионизирующего излучения космического пространства.
Библиографические ссылки
1. Белоус А. И., Солодуха В. А., Шведов С. В. Космическая электроника. В 2 кн. Кн. 1 М. : Техносфера, 2015. 696 с.
2. Белоус А. И., Солодуха В. А., Шведов С. В. Космическая электроника. В 2 кн. Кн. 2 М. : Техносфера, 2015. 488 с.
3. Мелешин В. И. Транзисторная преобразовательная техника. М. : Техносфера, 2005. 632 с.
4. Поликарпов А. Г., Сергиенко Е. Ф Однотактные преобразователи напряжения в устройствах электропитания РЭА. М. : Радио и связь, 1989. 160 с.
5. RIC7113 Single Event Effects Test Report. Revision!. International Rectifier. Jan. 2000.
References
1. Belous A. I., Solodukha V. A., Shvedov S. V. Kos-micheskaya elektronika [Electronics Space]. V 2-kh knigakh. Kniga 1 M. : Tekhnosfera 2015. 696 p
2. Belous A. I., Solodukha, V. A., Shvedov S. V. Kosmicheskaya elektronika [Electronics Space]. V 2-kh knigakh. Kniga 2 M. : Tekhnosfera 2015. 488 p.
3. Meleshin V. I. Tranzistornaya preobrazovatel'naya tekhnika [Transistor conversion equipment]. M. : Tekhnosfera, 2005. 632 p.
4. Polikarpov A. G., Sergienko E. F. Odnotaktnye preobrazovateli napryazheniya v ustroystvakh elektropi-taniya REA [Single-ended voltage converters in the power supply devices of electronics] M. : Radio i svyaz', 1989. 160 p.
5. RIC7113 Single Event Effects Test Report. Revi-sion1. International Rectifier. Jan. 2000.
© Афанасьев А. А., 2018
