CN104022550A - 一种抗空间辐射微卫星电源系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种抗空间辐射微卫星电源系统，太阳能电池通过充电模块对锂聚合物电池进行高效充电，电池电量采集模块实时采集锂聚合物电池的电量信息，送入FPGA控制模块进行分析处理，锂聚合物电池的输出通过DC/DC模块实现DC/DC变换后对外输出，FPGA供电模块将锂聚合物电池的输出转换为适合FPGA控制模块工作的电压；所述的FPGA控制模块同步管理充电模块、DC/DC模块和电池电量采集模块。本发明具有体积小、充电效率高、续航时间长、自身消耗少、电量不易流失的特点，还能为手机卫星中其它子系统供电，且输出稳定度高。

Description

一种抗空间辐射微卫星电源系统

技术领域

本发明属于航天应用领域，涉及一种卫星电源，主要指一种应用于微卫星的抗空间辐射电源系统。

背景技术

目前，手机卫星(微卫星)作为一个相对较新的概念提出，正处于一个飞速发展阶段。手机卫星最初是以降低卫星成本为目的而提出来的，其主要用于实现简单的对地观测功能，诸如美国在2010年启动的Phonesat计划，并于2013年成功发射的Phonesat1.0手机卫星及英国于2013年发射的型号为STRaND-1的手机卫星。国内关于手机卫星的研究还处于初始阶段。现有的手机卫星电源系统主要是采用智能手机的原有电源管理系统，包括智能手机的CPU、电源管理芯片和操作系统的协同管理。低成本、易操作及超小体积是现阶段手机卫星电源系统的主要特点，国内目前研究仍然处于萌芽状态，暂无相关专利，发展空间巨大。而体积小，输出稳定，续航时间长，抗空间辐射能力强等方面同样是衡量手机卫星电源系统性能的重要因素。

具体来看，如美国发射的SPHERES手机卫星，其自身电源管理主要依靠安卓系统的Nexus S手机的CPU，抗空间辐射性能较弱，这间接增加了手机卫星电源系统在空间环境可靠运行的难度，且SPHERES电源系统采用的是AA级电池，续航时间短，电解液易泄漏。NASA的型号为Phonesat1.0的手机卫星，用Nexus One内装的安卓操作系统接管手机卫星的电源管理功能，而在外太空环境中软件的容错性仍需进一步考证，且该电源系统不含太阳能充电模块，使得手机电源系统的寿命急剧降低，影响整星的工作时间。现有的手机卫星电源系统无法兼具体积小、输出稳定、续航时间长、抗空间辐射能力强等需求，为手机卫星电源系统乃至整颗手机卫星的正常工作带来了困难。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种抗空间辐射微卫星电源系统，其可通过Flash型FPGA控制管理手机卫星电源系统，在实现手机卫星电源系统稳定高效输出的同时，满足抗辐射性能的要求。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括充电模块、DC/DC模块、FPGA控制模块、电池电量采集模块、FPGA供电模块和锂聚合物电池。太阳能电池通过充电模块对锂聚合物电池进行高效充电，电池电量采集模块实时采集锂聚合物电池的电量信息，送入FPGA控制模块进行分析处理，锂聚合物电池的输出通过DC/DC模块实现DC/DC变换后对外输出，FPGA供电模块将锂聚合物电池的输出转换为适合FPGA控制模块工作的电压。所述的FPGA控制模块同步管理充电模块、DC/DC模块和电池电量采集模块。

所述FPGA控制模块采用AGL125芯片。

所述FPGA控制模块的内部数据采用三冗余设计，读取内部数据时，若有一个冗余部分不同，则选取两个相同的冗余部分作为正确的数据输出，如果两个冗余部分出现不同的错误，则对FPGA控制模块进行复位。

所述FPGA控制模块接收电池电量采集模块采集的电量，与设定的门限值比较，当电量流失速度或流失量大于门限值时，FPGA控制模块通过给DC/DC模块提供使能信号，控制DC/DC工作状态，进而控制锂聚合物电池的对外输出。

所述充电模块采用恒流充电。

所述DC/DC模块输出1路5V和1路3.3V电压，输出端串接保险丝。

本发明的有益效果是：采用充电模块将前端太阳能电池的输出的宽范围电压转换为可供锂聚合物电池充电的电压，并恒流对电池充电，提高充电效率；DC/DC模块将从锂聚合物电池输出的电量变化为1路稳定的5V输出和1路稳定的3.3V输出，电流分别在500mA以上；电池电量采集模块实时采集电池电量，并将采集的电量数据传输给FPGA，以便后续处理。FPGA控制模块采用Flash型FPGA，具有较强的抗空间粒子辐射性能，同时在FPGA内部采取三模冗余设计，引入数据表决机制，最大限度降低粒子辐射带来的影响。总体而言，本发明设计的抗空间辐射手机卫星电源系统，不仅具有体积小、充电效率高、续航时间长、自身消耗少、电量不易流失的特点，还能为手机卫星中2个其它子系统供电，且输出稳定度高，保证了手机卫星的正常工作。

附图说明

图1为本发明的结构原理框图；

图2为本发明中的DC/DC模块电路原理图；

图3为本发明中的充电模块电路原理图；

图4为本发明中的电池电量采集模块电路原理图；

图5为本发明中的FPGA供电模块电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明设计了一种抗空间辐射手机卫星电源系统，其可通过Flash型FPGA控制管理手机卫星电源充放电，克服了现有手机卫星电源系统存在的输出稳定性差、续航时间短、易受空间辐射影响等缺点，实现了手机卫星电源系统的稳定输出；独特设计的手机电源系统FPGA控制模块采用了三模冗余技术，能有效应对空间环境的粒子辐射，保障了手机电源系统的可靠性。

本发明提供的抗空间辐射手机卫星电源系统包括了充电模块、DC/DC模块、FPGA控制模块、电池电量采集模块、FPGA供电模块和锂聚合物电池。其中，太阳能电池的输出端直接连接充电模块的输入端，充电模块的输出端连接锂聚合物电池，对锂聚合物电池进行高效充电。电池电量采集模块实时采集电池的电量信息，同时电池电量采集模块与FPGA控制模块连接，将采集到的信息送入FPGA进行后续分析处理。DC/DC模块与FPGA与锂聚合物电池相连接，由FPGA控制DC/DC模块的工作状态，实现电池电量的DC/DC变换。FPGA供电模块分别与锂聚合物电池和FPGA连接，将电池输出电量转换为适合FPGA工作的电压。Flash型FPGA作为手机卫星电源系统的控制模块，同步管理充电模块、DC/DC模块和电池电量采集模块。该电源系统提供1路5V和1路3.3V输出，输出稳定，续航时间长，抗空间辐射性能强，满足小卫星的工作需要。

所述FPGA控制模块采用ACTEL公司的AGL125芯片，其自身静态功耗仅为5μW，存储器容量也达到1M bits，有多达96个I/O，满足小卫星电源系统的数据处理需求。13mm×13mm的封装尺寸良好满足了手机卫星电源系统的小型化要求。AGL125独特的Flash架构，无需外接SDRAM，使得其抗空间粒子辐射性能大大提高。更进一步，本发明对FPGA内部进行了三模冗余设计，实现读取数据的三取二模式，使空间粒子辐射的概率降到最低。FPGA通过给DC/DC模块提供使能信号，控制DC/DC工作状态，完成对DC/DC模块的控制；FPGA通过接收电池电量采集模块采集的电量，与其内部设定的门限值比较，当电池电量流失较快或较多时，FPGA可通过控制DC/DC模块的工作状态来控制电池的对外输出，从而起到防止电池过放现象的发生。

所述充电模块将前端宽范围太阳能输入电量转换为可供锂聚合物电池直接充电的电压，采用恒流充电，提高充电效率，使得锂聚合物电池的续航能力得到提高。

所述电池电量采集模块可实现对锂聚合物电池电量的实时采集，并将采集电池电量数据传输给FPGA，以便后续分析处理。

所述DC/DC模块能输出1路5V和1路3.3V电压，供手机卫星其它分系统使用。同时，输出端串接了保险丝，有效防止短路的发生，提高了系统的安全性。

所述FPGA供电模块可实现2路不同电压的输出，分别为3.3V的FPGA工作电压及1.5V的FPGA内核电压，满足Flash FPGA正常工作需求，从而在一定程度上保障了手机卫星电源系统的正常运行。

实施例：

参照图1，抗空间辐射手机卫星电源系统，包括充电模块、DC/DC模块、FPGA控制模块、电池电量采集模块、FPGA供电模块和锂聚合物电池。如图1所示，太阳能电池的输出端直接连接充电模块的输入端，充电模块的输出端连接锂聚合物电池，对锂聚合物电池进行高效充电。电池电量采集模块实时采集电池的电量信息，此模块又与FPGA相连接，将采集到的电量数据送入FPGA进行后续分析处理。DC/DC模块分别与FPGA和锂聚合物电池相连接，由FPGA控制DC/DC模块的工作状态，实现电池电量的DC/DC变换，输出两路供电，可以至多为手机卫星中2个其它子系统供电。FPGA作为手机卫星电源系统的控制模块，与其它模块相连接，同步管理充电模块、DC/DC模块和电池电量采集模块。选用锂聚合物电池比能量高达195W.h/kg，可弯曲变形，不会发生无电池漏液的问题，满足手机卫星高能量、小型化、轻量化的要求。

FPGA内部采用三模冗余设计，将FPGA内部程序数据分为3个部分。当需要调用读取内部数据的时候，将三个部分的数据两两进行对比，如果有一个部分出现错误，可以通过三选二的表决形式将正确的数据输出给系统，如果两个部分出现不同的错误，这时，表决器会给FPGA外部复位芯片发送复位信号，使整个系统重启，这样可以有效的避免空间粒子辐射带来的问题。

本发明的DC/DC模块电路原理图如图2所示。其中，共有TPS63001和TPS63002两个DC/DC器件。该DC/DC模块的输入端即U3的5端口和U4的5端口连接的是锂聚合物电池的输出端，U3和U4的输出端1端口在输出5V和3.3V电压的同时，串接了R13和R14两个保险丝，可有效防止手机卫星电源系统中供电电路短路的发生。U3和U4的6端口与FPGA相连，受FPGA的使能信号控制，只有当FPGA发送EN1和EN2两个使能时，U3和U4才能工作，从而使得手机卫星电源系统对外输出。

本发明的充电模块电路原理图如图3所示。其中，太阳能电池转换的电压范围在5～32V的电量从A1端输入，经D1和D3两个二极管后，流入太阳能充电芯片U2的1端口、2端口和3端口，当U2的2端口和3端口电压V_inREG和分别大于2.7V和1.2V时，充电过程正式启动。U2的9端口和10端口为充电芯片输出端，其输出电量直接对锂聚合物电池进行充电，且输出电流可通过改变电阻R8的大小而改变。当充电正常时，U2的4端口的LED灯长亮，反之，当充电发生故障时，U2的5端口的LED灯长亮直到故障排除。

本发明的电池电量采集模块电路原理图如图4所示。其中，U8的4端口与锂聚合物电池相连接，实时采集电池电量数据；U8的9端口和10端口分别作为数据信号和时钟信号与FPGA相连，将采集到的数据发送给FPGA进行后续分析处理。U8的供电依靠的是8端口输入的3.3V电压。

本发明的FPGA供电模块电路原理图如图5所示。锂聚合物电池的输出端与U5的5端口和6端口相连，分别提供的是电量和高电平。U5的1端口输出3.3V电压，作为FPGA的工作电压；同时，该3.3V电压送入U6的1端口和3端口，U6的5端口输出1.5V电压，作为FPGA的内核电压。

Claims (6)

1.一种抗空间辐射微卫星电源系统，包括充电模块、DC/DC模块、FPGA控制模块、电池电量采集模块、FPGA供电模块和锂聚合物电池，其特征在于：太阳能电池通过充电模块对锂聚合物电池进行高效充电，电池电量采集模块实时采集锂聚合物电池的电量信息，送入FPGA控制模块进行分析处理，锂聚合物电池的输出通过DC/DC模块实现DC/DC变换后对外输出，FPGA供电模块将锂聚合物电池的输出转换为适合FPGA控制模块工作的电压；所述的FPGA控制模块同步管理充电模块、DC/DC模块和电池电量采集模块。

2.根据权利要求1所述的抗空间辐射微卫星电源系统，其特征在于：所述FPGA控制模块采用AGL125芯片。

3.根据权利要求1所述的抗空间辐射微卫星电源系统，其特征在于：所述FPGA控制模块的内部数据采用三冗余设计，读取内部数据时，若有一个冗余部分不同，则选取两个相同的冗余部分作为正确的数据输出，如果两个冗余部分出现不同的错误，则对FPGA控制模块进行复位。

4.根据权利要求1所述的抗空间辐射微卫星电源系统，其特征在于：所述FPGA控制模块接收电池电量采集模块采集的电量，与设定的门限值比较，当电量流失速度或流失量大于门限值时，FPGA控制模块通过给DC/DC模块提供使能信号，控制DC/DC工作状态，进而控制锂聚合物电池的对外输出。

5.根据权利要求1所述的抗空间辐射微卫星电源系统，其特征在于：所述充电模块采用恒流充电。

6.根据权利要求1所述的抗空间辐射微卫星电源系统，其特征在于：所述DC/DC模块输出1路5V和1路3.3V电压，输出端串接保险丝。