Zasilanie elektroniki stosowanej w misjach kosmicznych

Na orbicie naprawa ani wymiana podzespołu zwykle nie są możliwe. Awaria przetwornicy może spowodować utratę zasilania obwodów, które z niej korzystają, dlatego projektowanie toru zasilania satelity wymaga szczególnej staranności. Rozwiązania do takich zastosowań oferuje amerykańska firma VPT, producent przetwornic DC/DC oraz filtrów EMI dla lotnictwa, wojska i przemysłu kosmicznego. Według producenta, jego rozwiązania zasiliły ponad 1000 misji kosmicznych, a przetwornice VPT pracują m.in. w łaziku marsjańskim Perseverance. [1, 2]

Przetwornice VPT – od projektów NewSpace po wymagające misje

Semicon Sp. z o.o. jest autoryzowanym, certyfikowanym dystrybutorem VPT i oferuje jej produkty na polskim rynku. Firma ma certyfikat zgodności z normą AS9120 rev. B, która określa wymagania systemu zarządzania jakością dla dystrybutorów z sektora lotniczego, kosmicznego i obronnego. [1]

Poniżej opisuję, jak z modułów VPT można zbudować tor zasilania satelity.

Tor zasilania satelity

Układ zasilania satelity przetwarza energię z magistrali pokładowej, wytwarza niskie napięcia dla układów scalonych i ogranicza zakłócenia, które przetwornice wprowadzają do wspólnej magistrali. W ofercie VPT służą do tego:

• izolowane przetwornice DC/DC VSC30 i VSC100 dla projektów NewSpace,
• serie SVR i SVL do misji o wyższych wymaganiach,
• przetwornice punktu obciążenia (PoL),
• filtry EMI.

Dobór konkretnych modułów wynika z wymagań elektrycznych, warunków środowiskowych i oczekiwanej niezawodności.

VSC30 i VSC100 dla projektów NewSpace

Pojęcie NewSpace obejmuje komercyjne programy kosmiczne, realizowane w krótkich cyklach i przy ograniczonym budżecie, w tym konstelacje satelitów na niskiej orbicie okołoziemskiej (LEO). Decydują w nich koszt jednostkowy, powtarzalność i czas wdrożenia.

Z myślą o takich projektach VPT opracowało serię VSC w klasie Space COTS. Są to moduły katalogowe przeznaczone do zastosowań kosmicznych, w obudowie niehermetycznej, objęte programem badań radiacyjnych i skróconym programem badań przesiewowych (screeningiem) ES+. Zakres badań i weryfikacji tych modułów jest dostosowany do potrzeb wybranych misji suborbitalnych i LEO, a nie do pełnego programu kwalifikacji stosowanego w najbardziej wymagających projektach kosmicznych. [2, 16]

VSC30 i VSC100 to izolowane stopnie przetwarzania zasilane z nominalnej magistrali 28 V. Mogą zasilać całe moduły elektroniki, urządzenia pokładowe i ładunki użyteczne albo wytwarzać szynę pośrednią dla lokalnych regulatorów. Na przykład wyjście 5 V może jednocześnie zasilać część układów peryferyjnych i przetwornice PoL, które wytwarzają niższe napięcia dla układów cyfrowych.

Podstawową różnicą między seriami VSC30 i VSC100 jest dostępna moc wyjściowa. VSC30 dostarcza do 30 W (wersja 3,3 V – do 25 W) do zasilania pojedynczych obwodów o mniejszym poborze. VSC100 natomiast do 100 W (wersja 3,3 V – do 66 W), dla urządzeń o większym zapotrzebowaniu na moc.

Przy doborze trzeba uwzględnić minimalne napięcie magistrali, które w czasie pracy może spadać: VSC30 pracuje w sposób ciągły od 15 V, a VSC100 od 16 V. Przy doborze przetwornicy należy uwzględnić zarówno ciągły pobór mocy, jak i krótkotrwałe wartości szczytowe, ich czas trwania oraz dopuszczalne przeciążenia. Trzeba też uwzględnić straty cieplne, bo część energii zamienia się w niej w ciepło.

W próżni nie występuje konwekcja, dlatego ciepło z przetwornicy odprowadza się przede wszystkim przez przewodzenie, do konstrukcji urządzenia lub radiatora. Istotną rolę w bilansie cieplnym satelity odgrywa również promieniowanie cieplne. W obu seriach można to zrobić przez górną lub dolną powierzchnię obudowy. [3, 4]

Odporność radiacyjna serii VSC

W przypadku przetwornic istotne są dwa rodzaje oddziaływania promieniowania. Całkowita dawka jonizująca (TID), wyrażana w krad(Si), kumuluje się przez cały czas trwania misji. Efekty pojedynczych cząstek (SEE) wywołuje przejście jonu lub protonu przez strukturę półprzewodnika. Mogą one trwale uszkodzić układ albo spowodować chwilowe odchylenie napięcia wyjściowego lub przerwę w pracy. Odporność na efekty pojedynczych cząstek (SEE) ocenia się m.in. na podstawie wyników badań przy określonych wartościach liniowego przekazu energii (LET), wyrażanych w MeV·cm²/mg.

Seria VSC jest badana do 40 krad(Si), a producent gwarantuje 30 krad(Si). Do LET 42 MeV·cm²/mg nie stwierdzono zdarzeń destrukcyjnych. Zdarzenia niedestrukcyjne scharakteryzowano przy LET 30 MeV·cm²/mg; ta wartość określa zakres badań, a nie brak zakłóceń. Amplitudę i czas trwania chwilowych odchyleń napięcia trzeba więc porównać z tolerancją zasilanych układów. Próbki wrażliwych półprzewodników z każdej partii produkcyjnej przechodzą radiacyjne badania odbiorcze (RLAT). [2, 3]

Dawka w miejscu montażu zależy m.in. od orbity, ekranowania i czasu misji. Ekranowanie pozwala ograniczyć całkowitą dawkę jonizującą (TID), jednak nie eliminuje ryzyka wystąpienia SEE. Dlatego przy doborze przetwornicy należy uwzględnić jej odporność na efekty pojedynczych cząstek oraz warunki radiacyjne konkretnej misji. Metodykę oceny opisują normy ECSS-Q-ST-60-15C Rev. 1 i ECSS-E-ST-10-12C. Seria VSC jest właściwym wyborem wtedy, gdy udokumentowana odporność pokrywa wymagania misji z przyjętym zapasem. [5, 6, 16]

Screening ES+ obejmuje m.in. dziesięć cykli temperaturowych od −55 do +125 °C oraz 96-godzinne wygrzewanie (burn-in). Obudowa niehermetyczna wymaga ponadto oceny odgazowania, czyli uwalniania lotnych związków w próżni, według normy ECSS-Q-ST-70-02C. [2, 3, 7]

Serie SVR i SVL do misji o wyższych wymaganiach

W misjach wymagających wyższej odporności radiacyjnej, hermetycznych obudów lub bardziej rygorystycznych poziomów zapewnienia jakości można zastosować przetwornice serii SVR i SVL. Są to moduły hybrydowe w hermetycznych obudowach metalowych. Według VPT seria SVR ma odporność na TID do 100 krad(Si), a SVL do 60 krad(Si). Dla obu serii producent podaje odporność na SEE do 85 MeV·cm²/mg, znacznie wyższą niż w przypadku VSC. [2, 16]

Moduły są dostępne w klasach jakości H i K według amerykańskiej specyfikacji MIL-PRF-38534. Klasa K obejmuje dodatkową ocenę elementów i szerszy zakres badań niż klasa H. Badania wykonuje się metodami MIL-STD-883; należą do nich m.in. cykle temperaturowe, wygrzewanie, test szczelności i radiografia, a ich zakres zależy od klasy. W klasach K i KL1 wykonuje się też badanie PIND, wykrywające luźne cząstki wewnątrz obudowy. KL1 to odmiana klasy K, w której elementy ocenia się według wcześniejszej rewizji specyfikacji; wyroby KL1 nie mają numeru SMD. [8, 16]

Przy zamówieniu należy sprawdzić w dokumentacji modelu status QML (wpis producenta na listę kwalifikowanych producentów) oraz to, czy wyrób ma przypisany rysunek SMD, czyli standardowy rysunek wydawany przez amerykańską agencję DLA. O wyborze między SVR a SVL decydują dawka, znaczenie zasilanej funkcji, czas pracy i przyjęte zasady kwalifikacji. Niezależnie od serii trzeba zapewnić odprowadzanie ciepła i stosować derating, czyli pracę elementów z zapasem względem wartości granicznych, zgodnie z normą ECSS-Q-ST-30-11C Rev. 2. [8, 9, 16]

Przetwornice Point of Load

Procesory, układy FPGA, ASIC i pamięci należą do elementów stawiających wysokie wymagania układom zasilania. Często potrzebują kilku niskich napięć przy dużym prądzie, z małymi tętnieniami i szybką reakcją na zmiany obciążenia. Takie napięcia wytwarzają przetwornice PoL (Point of Load) montowane bezpośrednio przy zasilanym układzie. Krótkie połączenia ograniczają spadki napięcia i wpływ pasożytniczej indukcyjności ścieżek.

W ofercie VPT tę funkcję pełnią kosmiczne serie SVPL i SVGA. Parametry w tabeli 2 opisują całe serie, dlatego przy doborze trzeba sprawdzić konkretny model: nie każdy wariant obejmuje wszystkie wartości skrajne. [10, 11]

Przy doborze PoL sprawdza się przede wszystkim:

• dokładność napięcia na wyprowadzeniach odbiornika,
• poziom tętnień,
• dopuszczalną pojemność na wyjściu,
• reakcję na nagłą zmianę obciążenia,
• zachowanie przy włączaniu i wyłączaniu.

Jeśli zasilany układ wymaga określonej kolejności włączania i wyłączania napięć, należy zapewnić odpowiednie sekwencjonowanie za pomocą funkcji regulatorów lub dodatkowego układu nadzorującego.

Przykład: VSC30 lub VSC100 z wyjściem 5 V zasila lokalną przetwornicę SVGA, która dostarcza napięcie rdzenia układu cyfrowego. W bardziej wymagającej misji szynę 5 V może wytwarzać odpowiedni model SVR lub SVL. W obu przypadkach trzeba sprawdzić bilans mocy i zgodność stopni. Wyższa odporność radiacyjna PoL nie zwiększa automatycznie odporności całego toru zasilania.

Filtry EMI

Praca przetwornicy impulsowej powoduje powstawanie składowych zmiennych prądu wejściowego, związanych z częstotliwością przełączania i jej harmonicznymi. Powstające przy tym zakłócenia przewodzone rozchodzą się przewodami zasilania i mogą docierać do innych urządzeń zasilanych z tej samej magistrali. Ogranicza je filtr EMI na wejściu przetwornicy, który pomaga spełnić wymagania kompatybilności elektromagnetycznej. [3, 16]

Filtr dobiera się razem z przetwornicą, z uwzględnieniem prądu, napięcia, impedancji i sposobu prowadzenia połączeń. VPT przypisuje filtry do konkretnych serii przetwornic (tabela 3); dla VSC30 i VSC100 przeznaczona jest rodzina VSCF. Jeden filtr VSCF może współpracować z kilkoma przetwornicami VSC, o ile pozwalają na to zalecenia producenta, a łączny prąd wejściowy, warunki rozruchu i stabilność układu mieszczą się w dopuszczalnych granicach. [2–4, 13–15]

Przy właściwej konfiguracji z przetwornicami VSC producent deklaruje spełnienie wymagań normy MIL-STD-461 (rewizje C–G), dotyczących emisji przewodzonych oraz badania według JESD22, MIL-STD-810 i MIL-STD-883. Norma MIL-STD-461 obejmuje jednak również emisje promieniowane i odporność na zakłócenia, więc deklaracja dla filtra nie przesądza o zgodności całego urządzenia. [13–15]

Obciążalność filtra ocenia się na podstawie prądu pobieranego przez przetwornicę z magistrali. Przetwornica dostarczająca 100 W przy 28 V pobiera ponad 3,5 A, a w praktyce więcej ze względu na straty i spadki napięcia magistrali, przy których prąd rośnie. Trzeba też uwzględnić warunki rozruchu. Filtr o prądzie znamionowym 1 A, taki jak DVMA28, jest w tym przypadku niewystarczający. Należy również sprawdzić stabilność współpracy filtra z przetwornicą, bo niewłaściwie dobrany filtr może wpływać na pętlę regulacji, oraz zmierzyć poziom emisji w docelowym urządzeniu. [3]

Podsumowanie

Niezawodność zasilania zależy od każdego elementu toru: filtra EMI, izolowanej przetwornicy DC/DC i lokalnych przetwornic PoL, dlatego dobiera się je wspólnie. W projektach NewSpace podstawą mogą być VSC30 i VSC100 z filtrami VSCF. Przy wyższych wymaganiach stosuje się serie SVR i SVL, a układy scalone zasilają bezpośrednio przetwornice SVPL i SVGA. O wyborze każdego modułu decydują wymagania konkretnej misji.

Semicon Sp. z o.o., jako autoryzowany dystrybutor VPT, oferuje na polskim rynku przetwornice DC/DC, przetwornice PoL i filtry EMI tego producenta. Pytania dotyczące produktów VPT prosimy kierować do zespołu Semicon.

Semicon Sp. z o.o., Warszawa | dariusz.sokol@semicon.com.pl

---

Normy i materiały źródłowe

Parametry według dostępnych materiałów VPT. Dla zamówienia wiążące są karta konkretnego modelu, właściwy SMD oraz uzgodnione raporty i klasa jakości. Wydania ECSS i norm MIL stosuje się zgodnie ze specyfikacją projektu.

Dostęp do źródeł: 25 września 2026 r.

[1] Semicon, Produkty firm VPT oraz Omnetics, których Semicon jest autoryzowanym dystrybutorem, są wykorzystywane w najnowszej misji kosmicznej na Marsa, 19.02.2021.
[2] VPT, Powering NewSpace Missions – prezentacja, screening i porównanie serii.
[3] VPT, VSC30-2800S – dane serii i odsyłacz do karty katalogowej.
[4] VPT, VSC100-2800S – dane serii i odsyłacz do karty katalogowej.
[5] ECSS-Q-ST-60-15C Rev.1, Radiation hardness assurance – EEE components, 20.03.2025.
[6] ECSS-E-ST-10-12C + Corr.1, Methods for the calculation of radiation received and its effects, and a policy for design margins, 15.11.2008, korekta 22.02.2017.
[7] ECSS-Q-ST-70-02C, Thermal vacuum outgassing test for the screening of space materials, 15.11.2008.
[8] VPT, Hybrid Environmental Screening Options – klasy jakości i odniesienia do MIL-PRF-38534 oraz metod MIL-STD-883.
[9] ECSS-Q-ST-30-11C Rev.2, Derating – EEE components, 23.06.2021.
[10] VPT, SVPL Series – kosmiczne przetwornice Point of Load.
[11] VPT, SVGA Series – kosmiczne przetwornice Point of Load.
[12] VPT, DVMA28 – hybrydowy filtr EMI.
[13] VPT, VSCF3-28 – filtr EMI i odniesienia do MIL-STD-461 C–G.
[14] VPT, VSCF10-28 – filtr EMI oraz odniesienia do MIL-STD-461, MIL-STD-810, MIL-STD-883 i JESD22.
[15] VPT, VSCF20-28 – filtr EMI oraz odniesienia do wymagań i badań.
[16] VPT, Selecting the Correct Level of DC-DC Converter for Your Application – nota aplikacyjna AN010 (rew. 2.0).