Alçak yörünge koşullarında güç yedeklilik mimarisi

Abstract

İnsansız hava aracı, otomotiv, uçak ve uzay araçları gibi sistemlerde konum, yönelim, sıcaklık gibi parametrelerin tespitinde kullanılan sensörler, araçların tepki vermesini sağlayan motorlar, tepki tekerleri kritik öneme sahiptir. Bu alt bileşenlerin elektrik enerjisinin düzgün şekilde sağlanamaması, düşük doğrulukta veri okuma veya motorların düzgün sürülememesi gibi katastrofik sonuçlar doğurabilmektedir. Bu sorunların önüne geçebilmek ve güvenilirliği arttırmak için kritik öneme sahip bileşenler, bağlantılar ve/veya haberleşmeler birden fazla sayıda kullanılarak yedeklilik sağlanır. Önemli bir sensör için yedekli şekilde kullanılarak karşılaştırma yapılabilir ya da tüm alt bileşenleri besleyen bir kaynağın kablajında yaşanabilecek sorunların önüne geçilmek için birden fazla kablaj yapılarak yedeklilik sağlanabilir. Bu çalışma kapsamında, güç kaynaklarının, sensörlerin ya da alt bileşenlerin beslenmesinde kullanılan, alçak yörünge koşullarında 3 yıl faaliyetlerini sürdürebilen bir güç yedeklilik mimarisi tasarlanmıştır. Bu kapsamda, önce farklı güç yedeklilik metotlarının simülasyonu yapılmış ve sonrasında deneysel çalışmalar yapılmıştır. Simülasyon sonuçlarına göre verim kısıtı göz önünde bulundurularak deneysel çalışmalara OR-ing entegresi ile devam edilmiştir. Kullanılan entegre Enable özelliğine sahip olacak şekilde seçilmiştir. Böylece herhangi bir işlemci kullanılarak entegre kapalı konuma getirilebilmektedir. Ayrıca entegrelerin sürdüğü MOSFET'ler "back to back" konfigürasyonunda eklenmiş ve entegrenin enable edilmediği durumlarda yük üzerine gerilim düşmesi engellenmiştir. Tasarlanan devrenin şematiği oluşturulmuş ve PCB tasarımı yapılmıştır. PCB tasarımında yol kalınlıkları, poligonlar ve via'lar 2A yük altında çalışabilecek şekilde ayarlanırken clearance değeri için 100V referans alınmıştır. Devrede MOSFET'lerin bağlı olduğu giriş hattına akım okuma için OP-AMP kullanılarak sistemin durumu ile ilgili bilgi alınmıştır. Böylece hem alt bileşenlerde fazla akım çeken yük olması durumu tespit edilerek entegre disable duruma geçirilebilmiş hem de entegrenin sağlık kontrolünün yapılabilmesi için sırayla entegreler disable edilip akım okuma yapılarak MOSFET'lerin düzgün sürüldüğü teyit edilebilmiştir. Üretilen PCB'nin elektriksel testleri yapılmış ve veriminin %98,75 olduğu görülmüştür. Devrenin uzay koşullarında çalışabilmesi için vakum ortamında çalışabilmesi gerekmektedir. Vakum testlerinin yapılması amacıyla -30 °C ile +100 °C arası sıcaklık profili altında termal vakum sistemi kullanılmıştır. Uzay koşullarındaki ikinci önemli kısıt ise radyasyondur. Hapsolmuş Radyasyon, Güneş Kaynaklı Enerjik Parçacıklar ve Galaktik Kozmik Radyasyon uzay radyasyonu kaynaklarıdır. Bu radyasyonun ekipmanlar üzerine 3 temel etkisi bulunmaktadır: Toplam İyonlaştırıcı Doz (Total Ionizing Dose – TID), (Deplasman Hasarı) Displacement Damage ve Tek Olay Etkileri (Single Event Effects – SEE) şeklindedir. Devrenin alçak yörüngede 3 yıl boyunca maruz kalacağı radyasyon değerine dayanımını görmek amacıyla TID ve SEE testlerinin yapılması gerekmektedir. TID testlerinde eşik gerilim değerlerinin kayması, kaçak akımların ve tüketimin artması; SEE testlerinde ise yüksek akım sonucu bozulmalar meydana gelebilmektedir. Bu doğrultuda test düzenekleri hazırlanarak devre her iki teste de tabi tutulmuştur. ESCC standardına uygun olarak beş adımda Toplam İyonlaştırıcı Doz testi için çift marj hesaplanmış olup, PCB'ye 16.04 krad toplam doz uygulanmıştır. SEE testi kapsamında PCB enerjisi 30 MeV ve akışı 1.84E+08 p/cm2/s olan bir proton maruz bırakılmıştır ve bu test 544 saniye sürmüştür. Tasarlanan devre Termal vakum, TID ve SEE testlerini geçmiştir ve 3 yıl boyunca alçak yörünge uzay araçlarında kullanılabileceği kanıtlanmıştır.