Diseño

La electrónica de potencia tolerante a la radiación es primordial para cubrir los requisitos de la infraestructura de satélites

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La infraestructura actual de las comunicaciones por satélite es insuficiente para asumir la insaciable demanda global de una conectividad fiable de banda ancha a alta velocidad. Esta brecha está promoviendo la rapidez en el diseño, el desarrollo y el despliegue de constelaciones de satélites de comunicaciones a baja órbita (low-Earth-orbit, LEO) y media órbita (medium-Earth-orbit, MEO). Estas constelaciones rodearán la Tierra y proporcionarán una conectividad complete de banda ancha en todos los rincones del planeta a diferencia de unas soluciones terrestres que no podrán cumplir su promesa.

Boeing es uno de los varios fabricantes homologados por la FCC para diseñar, fabricar y lanzar satélites LEO y MEO hasta su órbita. El proyecto O3b de Boeing tiene como objetivo suministrar conectividad de banda ancha a “los otros 3.000 millones de personas” (“other 3 billion people”, O3b) cuyo acceso a internet a alta velocidad es limitado o inexistente. Un reto importante para el diseño de satélites LEO como O3b es el suministro de la alimentación que necesita la avanzada circuitería de comunicación sin aumentar el tamaño ni el peso de la red de alimentación. Para complicar aún más las cosas, la solución de alimentación debe ser flexible y escalable con el fin de asumir posibles cambios o modificaciones imprevistas en el diseño en versiones futuras. El acelerado plan de despliegue exige además que el plazo de comercialización sea rápido con el fin de cumplir los plazos del proyecto.


Sobrevivir en el espacio
El espacio es un entorno hostil e implacable, especialmente para los componentes eléctricos, por razones como las enormes variaciones de temperatura, la vibración y la exposición a la radiación. Sin embargo, el nivel requerido de protección frente a la radiación depende de la órbita en la que funcione el satélite. Los satélites que se encuentran en las órbitas geoestacionarias más altas (GEO) necesitan dispositivos resistentes a la radiación porque se hallan fuera de los cinturones de Van Allen y por tanto se ven expuestos a mayores niveles de radiación. La vida operativa prevista de los satélites GEO es entre 3 y 4 veces mayor que para los satélites, lo cual incrementa aún más su exposición a la radiación. Los satélites MEO y LEO ocupan órbitas mucho más bajas dentro de los cinturones de Van Allen, por lo que su exposición a la radiación es menor y basta con que sus componentes la toleren. Hay quien podría argumentar que los productos convencionales son adecuados para funcionar en satélites LEO, pero sería muy arriesgado incluso con los menores niveles de radiación. La prudencia aconseja contar con cierto nivel de protección frente a la radiación con el fin de garantizar el funcionamiento adecuado del satélite. Al fin y al cabo, resulta imposible enviar a un técnico de mantenimiento para arreglar una avería si falla un componente convencional de 0,25 dólares en el espacio y deja fuera de servicio un satélite que cuesta millones de dólares.

Una solución tolerante a la radiación y con una alta densidad de potencia
Una alternativa las soluciones de potencia convencionales consiste en recurrir a una solución modular y tolerante a la radiación para la alimentación que además ofrezca protección frente a la radiación y siga proporcionando la máxima densidad de potencia del mercado junto con una enorme flexibilidad y escalabilidad de su arquitectura y su implementación (figura 1).


Figura 1: Módulo y red de alimentación de Vicor que demuestran su fácil implementación.


La estrecha colaboración entre Vicor y Boeing en el programa O3b ha permitido desarrollar una solución de altas prestaciones. Los módulos de potencia convertidores CC/CC tolerantes a la radiación y a fallos de Vicor, suministrados en el nuevo encapsulado SM-ChiP™ metalizado de Vicor, son capaces de alimentar ASIC de baja tensión de hasta 300 W desde una fuente con una tensión nominal de 100V. Su inmunidad frente a eventos únicos se logra gracias a la arquitectura redundante que incorpora cada módulo, que integra dos unidades de potencia idénticas en paralelo con circuitos integrados de control tolerantes fallos en un solo encapsulado SM-ChiP de alta densidad (figura 2).

Figura 2: Diseño de una unidad de potencia doble tolerante a fallos.


Los satélites avanzados de comunicaciones requieren alta densidad de potencia y bajo ruido. Las etapas de potencia ZCS/ZVS (con conmutación a corriente/tensión cero) de alta frecuencia y conmutación suave de Vicor reducen el ruido total del sistema de alimentación así como las necesidades de filtrado, permitiendo de este modo que la integridad de la señal y el rendimiento del sistema ofrezcan el alto nivel de fiabilidad exigido.
La solución completa de alimentación al punto de carga está formada por cuatro SM-ChiP: el BCM3423, un convertidor de bus para una tensión nominal de 100V, 300 W y K = 1/3 en un encapsulado de 34 x 23mm; el PRM2919, un regulador para una tensión nominal de 33V y 200W en un encapsulado de 29 x 19mm; y dos multiplicadores de corriente VTM2919 con K = 1/32 y una salida de 0,8V a 150A y
K = 1/8 con una salida de 3,3V a 50 A. Esta solución alimenta el ASIC directamente desde la fuente de 100V con un mínimo número de componentes externos y funciona con un bajo nivel de ruido.
Todos los módulos se suministran en el encapsulado SM-ChiP de alta densidad de Vicor con conexiones BGA (ball grid array). La temperatura de funcionamiento de los ChiP es de –30 a 125°C.

La innovación necesaria para el nuevo mercado espacial
Existen algunas diferencias importantes entre las soluciones de potencia discretas y modulares. Para cumplir los ambiciosos objetivos de O3b, una solución modular sobresale en varios aspectos importantes. Para más información sobre las conclusiones que aparecen en la tabla, lea este documento.

 

Vicor y BCM® son marcas registradas de Vicor Corporation; SM-ChiP™, PRM™ y VTM™ son marcas de Vicor Corporation. Las restantes marcas pertenecen a sus respectivos propietarios.

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