Le quattro tendenze nella gestione della potenza in ambito spaziale da tenere d’occhio nel 2020

I progetti per l’architettura di potenza per applicazioni spaziali sono storicamente in ritardo rispetto al mondo commerciale a causa della complessità della progettazione di circuiti integrati hardened per resistere alle radiazioni. Oggi la situazione è in rapido cambiamento. Gli sviluppi nella tecnologia 5G stanno alimentando le richieste di maggiore larghezza di banda e di copertura Internet globale, spingendo quindi molti paesi a lanciare nello spazio sempre più satelliti, mentre una maggiore richiesta di funzionalità e protezione è alla base della crescente necessità di speciali circuiti integrati di potenza per uso spaziale che siano disponibili in piccoli package e offrano maggiore integrazione. Poiché i progettisti stanno optando per circuiti integrati più complessi per i loro progetti di gestione della potenza per uso spaziale, sono quattro le tendenze chiave da tenere d’occhio nel 2020.

1. Maggiore densità di potenza per il carico utile satellitare.

I satelliti moderni sono chiamati maggiormente a gestire il processo decisionale a bordo, il che richiede una maggiore larghezza di banda per il trasferimento dei dati e flussi di dati più sicuri. Di conseguenza, le richieste di elaborazione del carico utile satellitare sono destinate a crescere: ne deriva che anche i requisiti di potenza continueranno a crescere, poiché gli ingegneri si aspettano una maggiore capacità in termini di uscita di potenza da schede delle stesse dimensioni. I componenti elettronici per applicazioni spaziali diventeranno quindi più piccoli in proporzione, non soltanto per soddisfare i requisiti di corrente elevata della nuova generazione di gate array FPGA (field-programmable gate array) che costituiscono il core della maggior parte dei carichi utili satellitari, ma anche per soddisfare i ristretti requisiti di tolleranza della tensione del core di questi FPGA e offrire ai progettisti più funzionalità a parità di dimensioni del package per raggiungere i loro obiettivi di progettazione. Il TPS50601A-SP di TI, ossia il circuito integrato convertitore CC/CC dalla maggiore densità di potenza sul mercato, è un convertitore buck a 6A e 7 V_IN il 50% più piccolo rispetto a soluzioni simili.

2. Maggiore integrazione di FET per uso spaziale e package ceramici più piccoli.

Oltre alla maggiore densità di potenza, gli ingegneri che progettano alimentatori per applicazioni spaziali continueranno a cercare soluzioni di dimensioni inferiori. Un modo per ridurre la dimensione di una soluzione già esistente è integrare alcune delle grandi quantità di transistor a effetto di campo discreti (FET, field-effect transistor) e passivi in un circuito integrato monolitico. Questa tendenza crescerà nel 2020, con una forte domanda di prodotti sotto forma di soluzioni KGD (known-good-die) o con maggiore integrazione se in un package ceramico. Ad esempio, il TPS7H2201-SP è un eFuse con funzionalità di protezione integrate che possono sostituire soluzioni discrete per cold sparing, protezione da sovracorrente e da corrente inversa e limitazione della corrente programmabile. Inoltre è lecito aspettarsi una riduzione delle dimensioni dei package ceramici fino al punto in cui lo sviluppo di nuovi package si ritrovi limitato dalle dimensioni del die, poiché i produttori di circuiti integrati cercano modi per ridurre ulteriormente le dimensioni dell’alimentatore.

3. Più satelliti con potenza hardened per resistere alle radiazioni.

La crescita delle reti 5G sta incoraggiando sempre più paesi a lanciare nello spazio un maggior numero di satelliti nell’orbita terrestre bassa (LEO, low-earth-orbit). Questi satelliti sono studiati per rimanere meno tempo nello spazio rispetto ai satelliti tradizionali e quindi sono esposti a meno radiazioni. Pertanto, molti produttori di satelliti sono alla ricerca di una nuova classe di prodotti che offrano un certo livello di affidabilità e prestazioni alle radiazioni ad un prezzo inferiore rispetto ai tradizionali circuiti integrati spaziali. Quando i progettisti tentano di raggiungere questo obiettivo utilizzando un mix di prodotti preconfezionati e commerciali, si rendono spesso conto dell’importanza dell’architettura dello stadio di potenza nel garantire il successo della missione. I transienti possono danneggiare i dispositivi a valle e i progettisti cercano quindi sempre più di mitigare la propagazione dei guasti nella soluzione di potenza. Il TPS7H2201-SP e il TPS50601A-SP sono esempi di prodotti nel percorso di potenza critico che possono contribuire a proteggere i dispositivi a valle da sovratensione e sovracorrente. Un’altra opzione consiste nel considerare componenti Space-EP (Space Enhanced Plastic), destinati a brevi missioni LEO, testati per una dose ionizzante totale (TID) di 30 krad, garantiti per una TID di 20 krad con test di accettazione del lotto per le radiazioni e caratterizzati da 43 MeV-cm²/mg per SEL (single-event latch-up).

4. La crescita delle analisi approfondite degli effetti delle radiazioni e delle garanzie.

La crescita dei circuiti integrati di potenza, sempre più complessi e integrati, rende ancora più importanti i test, la modellazione e il reporting delle radiazioni e richiede prove dettagliate dell’idoneità di un circuito integrato per un ambiente spaziale. Poiché la complessità dei moderni dispositivi per uso spaziale rende difficile questo tipo di analisi, sempre più progettisti inizieranno a rivolgersi ai fornitori per ottenere supporto, spingendo quindi la domanda di documentazioni dettagliate per i dispositivi di gestione della potenza per uso spaziale, compresi i rapporti sulle radiazioni per TID, SEE (single-event effects) ed effetti di danneggiamento da spostamento di neutroni, nonché modelli WCA (worst-case analysis). Per soddisfare questa domanda, un numero sempre maggiore di produttori inizierà a fornire la caratterizzazione completa dei dispositivi per SEL, SEU (single-event upset), SET (single-event transient), SEB (single-event burnout) e SEGR (single-event gate rupture), nonché modelli di analisi per il caso peggiore che comprendono la variazione per temperatura-processo-tensione (PVT), gli effetti dell’invecchiamento in base ai test a vita, gli effetti TID e il supporto dell’analisi Monte Carlo. I modelli WCA sono disponibili oggi per il regolatore a basso dropout (LDO) TPS7H1101A-SP, l’LDO TPS7A4501-SP e il convertitore buck TPS50601A-SP.

Conclusione

Gli ingegneri che progettano alimentatori per applicazioni spaziali necessitano di una nuova tecnologia integrata che sia in linea con il mondo commerciale ma che non comprometta l’affidabilità e la capacità. Queste quattro tendenze sono fra le tante alla base dello sviluppo di prodotti all’avanguardia per la gestione della potenza in ambito spaziale, oltre a richiedere relazioni dettagliate sulle radiazioni e la qualifica con certificazione hardened per resistere alle radiazioni di Classe V QML (Qualified Manufacturers List) per supportare progetti sia in orbita alta che in orbita bassa.

Ulteriori informazioni sui circuiti integrati per applicazioni di potenza in ambito spaziale sono disponibili nell’articolo tecnico «Quando fallire non è contemplato: alimentazione di un satellite con funzionalità e protezione integrate