幾家商業衛星公司已進入太空領域并產生重大影響，徹底改變了這一一度主要由政府資助的活動。這些公司與許多其他公司一起，正在為低地球軌道、中地球軌道和地球靜止赤道軌道開發電信巨型星座、強大的雷達網絡和增強型光學成像平臺。

這些任務促使許多設計人員從基于簡單分立元件（例如運算放大器 （op-amp） 或晶體管）的衛星設計轉向更高度集成的微電路，這有助于節省設計工作、組裝和測試的時間。

在本文中，我們將討論 CSA 如何通過實施電源軌電流監控、負載點檢測和電機驅動控制等功能來監控衛星配電系統和各種其他電氣組件的健康狀況和功能。電流檢測放大器 （CSA） 非常適合整個衛星電子系統的各種應用。

CSA 的基礎知識

CSA 支持高端和低端傳感設計；您可以將系統配置為在負載之前或之后配備一個分流電阻器（如圖 1所示），以監控預期傳送的負載電流中的異常情況，例如過流事件。

圖 1. 高端和低端實現

表 1 總結了高端和低端實現的權衡。兩種配置都有其優點和缺點，具體取決于系統設計人員希望通過 CSA 實現的目標。

鐵路監控

衛星中 CSA 最常見的用例之一是監控主電源軌輸入電流以檢測單事件瞬變。與傳統運算放大器或其他分立方法相比，CSA 能夠處理大于電源電壓的電壓應用到其輸入引腳，從而提供更大的設計靈活性，在傳統運算放大器或其他分立方法中，共模輸入引腳電壓受運算放大器的電源電壓限制。放大器 使用 CSA 監控主電源軌時，您可以在負載的高側或低側放置一個分流電阻器。在監控主電源軌時，高壓側通常是首選設置，因此您可以利用 CSA 檢測負載短路以保護系統并幫助避免完全系統故障。

負載點檢測

可以利用 CSA 執行負載點檢測以進行過流保護、系統優化或閉環反饋，這些都是收集有關重要系統組件的數據并確定特定系統負載的健康狀況或功耗的有用方法。 使用來自 CSA 的數據，系統可以做出數據驅動的決策，例如自校準、短路檢測或節流到負載組件（如功率放大器 （PA） 和其他各種電子系統）的電流，并確保正常運行。CSA 的精度、高電壓范圍和獨立于電源電壓的共模范圍可以更輕松地監控關鍵任務組件并幫助確保任務成功。

過流保護

圖 2顯示了 CSA 與比較器耦合的常見分立設置，使用定義的參考電壓來設置跳閘電平。在此配置中，CSA 用于高端并測量檢測電阻器兩端產生的差分電壓。CSA 將輸出發送到比較器輸入和模數轉換器。通過這種配置，系統可以持續監測到負載的電流；如果發生意外事件，快速比較器將觸發并做出數據驅動的決定來限制或關閉系統以避免完全故障。

圖 2. 分立式過流保護

德州儀器 （TI）的INA901-SP是合格制造商列表 （QML） V 類空間級 CSA，能夠進行高端和低端檢測，輸入電壓范圍為 –15 V 至 65 V，50 krad （ Si） 低劑量率下的抗輻射 （RHA） 規范，以及高達 LET EFF = 75 MeV-cm 2 /mg SEL 的單事件閂鎖 （SEL） 抗擾度。INA901-SP 有助于最大限度地減少監控電源軌健康和保護衛星系統免受過流事件所需的設備數量。

射頻通信應用

通信系統是負載點檢測的常見應用，其中 CSA 在控制 PA 的整個生命周期的運行方面發揮著至關重要的作用。當衛星的通信設備廣播無線電波時，調整 PA 中晶體管特定偏置點的柵極電壓可控制傳輸的電流，以幫助提高系統效率。有兩種方法可以控制流過 PA 的電流。第一種方法是開環概念，它有一些缺點，包括偏置的固定控制電壓，它忽略了電源變化、器件老化和溫度波動引起的波動的影響。第二種方法是利用 CSA 和其他幾個組件的封閉反饋概念，

圖 3是閉環系統監控流經 PA 漏極的電流、使用總線監控器監控 VDD 以及使用比較器進行過流保護的示例。根據您對電路板空間、成本、精度或天線數量的限制，動態控制的最佳方法可能會有所不同。大多數方法都包含一個 CSA 作為反饋鏈的一部分，以調整偏差并提高效率。

圖 3. 總線電壓、電流和過流反饋

電機驅動應用

在電機驅動應用中，電機驅動電路產生脈寬調制 （PWM） 信號以精確控制電機的運行。這些調制信號受制于與每個電機相位對齊的監控電路，監控電路為控制電路提供反饋信息。由于實際放大器（與理論放大器相反）并不完美，放大器未能充分抑制共模電壓的大 PWM 驅動輸入電壓階躍可能會影響輸出。現實世界中的放大器沒有無限共模抑制，在放大器輸出端會出現與每個輸入電壓階躍相對應的不希望有的波動。

圖 4顯示了電機驅動應用中的 CSA 示例。紅色放大器指示在系統中放置內聯 CSA 的位置。圖 5顯示了競爭器件的輸出，而圖 6顯示了INA240-SEP的輸出。

圖 4. CSA 的內聯實現（僅顯示了一個階段）

圖 5. 競爭器件輸出與 PWM 輸入

圖 6. INA240-SEP 輸出與 PWM 輸入

這些輸出波動可能相當大，并且根據放大器的特性，在輸入轉換之后可能需要很長時間才能穩定下來。利用 INA240-SEP 中的增強型 PWM 抑制技術有助于為使用 PWM 信號的系統中的大共模瞬變 （ΔV/Δt） 提供高水平的抑制，這在電機驅動和螺線管應用中尤其有用。此功能可在輸出電壓上減少瞬變和相關恢復紋波的情況下實現準確的電流測量。

德州儀器 （TI） 的 INA240-SEP 是一款超精密器件，能夠提供 –4V 至 80V 的共模電壓，增益誤差為 0.2%，增益漂移為 2.5 ppm/°C，并且±25 μV 的失調電壓。該器件是 TI空間增強型塑料 （Space EP）耐輻射產品組合的一部分，耐輻射達 30-krad（Si），在 125°C 時具有高達 43 MeV-cm 2 /mg 的SEL 抗擾度，適用于低地球軌道應用。

結論

電流感應為系統提供了許多好處，包括優化性能、提高可靠性和狀態監測以保護系統生命體征。由于航天級 CSA 能夠以高度準確的結果進行直接測量，因此它們可以幫助系統在最惡劣的環境中正確運行多年。如需更多德州儀器航天產品，請訪問 www.ti.com/applications/industrial/aerospace-defense/overview.html#。

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