CN104460415B - 一种采用过流保护及双区互看的微小卫星配电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种采用过流保护及双区互看的微小卫星配电系统，属于微小卫星技术领域，包括配电模块、遥控模块、多个供电开关，遥控模块由相同的两组结构构成两半区，每个半区由过流保护电路、主控单片机、寻址电路和指令池组成；所述的供电开关包括由两个开关组成的并联供电开关和串联供电开关；每个半区中的过流保护电路一端与配电模块相连，为该半区供电，同时，还与另一半区指令池产生的供电开关控制信号相连；所述两类供电开关一端均与配电模块相连，并联供电开关的另一端与卫星的默认开功能模块相连，串联供电开关的另一端和默认关功能模块相连。本发明能够有效应对空间中的单粒子闩锁事件。可显著提高遥控模块可靠性，并降低其研制成本。

Description

一种采用过流保护及双区互看的微小卫星配电系统
技术领域
本发明属于微小卫星技术领域，涉及一种采用过流保护及双区互看的微小卫星配电系统。
背景技术
自20世纪80年代开始，微小卫星的相关研究工作已经在世界主要航天国家的科研机构和高等院校展开。而微小卫星具有质量轻、体积小、成本低、研制周期短等优点，使得该项技术在过去三十年得到了迅速的发展。
微小卫星由多个功能模块组成，如负责测控数据收发的测控应答机模块、负责星务管理的星载计算机模块、负责卫星定姿的姿态控制模块等。卫星各模块的供电由配电系统统一管理，如图1所示，为微小卫星常见的一种配电系统组成结构，该系统主要由配电模块、遥控模块、多个供电开关所组成，其中，由配电模块通过各供电开关与各功能模块相连，同时配电模块与遥控模块相连，配电模块向遥控模块及通过供电开关向各功能模块供电；控制指令通过遥控模块译码产生供电开关控制信号，供电开关控制信号与供电开关相连。该遥控模块无供电开关，为常上电系统，负责接收控制指令，解析并生成供电开关控制信号，进而对供电开关的打开和关闭进行控制，完成各功能模块的受控上下电功能。传统遥控模块的组成如图2所示，主要由依次相连的主控单片机(MCU)、寻址电路和指令池组成，指令池由多个锁存器构成；其工作原理为：主控单片机接收串行的遥控指令，解析后通过寻址电路，定位并控制指令池中锁存器产生的供电开关控制信号，进而将对应的供电开关打开或关闭。
卫星的研制要面临诸多空间环境的挑战。在太空环境中，单粒子闩锁效应是造成航天电子系统故障的主要原因之一，其现象表现为各功能模块中的CMOS工艺器件受空间粒子撞击引发短路性过流，丧失器件功能。只能通过对器件断电，待其“退火”后重新上电恢复功能，同时短路性过流还会给配电系统带来烧毁风险。
可靠性设计是卫星研制中的一项重要指标。卫星的可靠性一般可通过两种设计方案实现。一种是选用对单粒子闩锁等效应高抵抗的宇航级器件，或者通过特殊的辐照加固等措施。但此类方案成本高，可恢复性差，且对器件依赖性强，宇航级器件往往存在采购困难等问题，影响方案设计。
另外一种方案是通过冗余备份的设计实现。对于卫星的关键功能模块，一般采用“双机备份”的设计保证可靠性。正常情况下主份功能模块上电工作，备份功能模块下电待机，若发生单粒子闩锁或其他原因导致不可自恢复故障，则由地面站或星载计算机发出控制指令，通过供电开关将主份功能模块断电，开启备份功能模块电源，切换至备份功能模块继续工作。此类方案对功能模块的器件品级要求较低，具备恢复能力，但往往设计复杂。
对于已有的微小卫星遥控模块，由于其仅作为供电开关控制信号的输出方而非接受方，设计有效的双机备份方案存在较大难度，传统的设计，一般仍依赖宇航级器件，在研制成本、器件采购、可恢复性等方面存在缺陷。
发明内容
本发明的目的是为解决已有技术存在的问题，提出一种采用过流保护及双区互看的微小卫星配电系统，能够有效应对空间中的单粒子闩锁事件。可显著提高遥控模块可靠性，并降低其研制成本。
本发明提出的一种采用过流保护及双区互看的微小卫星配电系统，包括配电模块、遥控模块、多个供电开关，其特征在于，所述遥控模块由相同的两组结构构成A半区和B半区，每个半区由过流保护电路、主控单片机(MCU)、寻址电路和指令池组成；所述的供电开关包括由A、B两个开关组成的两类供电开关，一类为由A、B两个开关组成的并联供电开关，另一类为由A、B两个开关组成的串联供电开关；其中，每个半区中的过流保护电路一端与配电模块相连，另一端与半区中的主控单片机、寻址电路和命令池相连，为本半区供电，同时，每个半区的过流保护电路还与另一半区指令池产生的供电开关控制信号相连；A半区指令池产生的供电开关控制信号控制两类供电开关的A开关，B半区指令池产生的供电开关控制信号控制两类供电开关的B开关；所述两类供电开关一端均与配电模块相连，并联供电开关的另一端与卫星的默认开功能模块相连，串联供电开关的另一端和默认关功能模块相连。
本发明的进步效果在于：
本发明将卫星中的功能模块供电为双开关控制，进而将遥控模块分成相同功能的两个半区，单个半区工作即可保证卫星基础功能正常，为卫星提供了冗余度。通过过流保护电路的交叉控制，将遥控模块从单一的供电开关控制信号的输出方，转换为同时作为供电开关控制信号的输出方和接受方。从而可以完成单粒子闩锁后的下电“退火”重启功能。显著提高了系统可靠性。同时，配电系统中的遥控模块可不再依赖于高品级的宇航级器件，大大降低了研制成本。
附图说明
图1是典型的微小卫星传统配电系统组成结构图。
图2是已有的一种微小卫星传统遥控模块的组成及工作原理图。
图3是本发明的供电系统组成与电源控制示意图。
图4是本发明应用中对卫星分成默认开与默认关功能模块后与供电开关连接示意图。
图5是本发明的一种过流保护电路实施例组成电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
本发明提出的一种采用过流保护及双区互看的微小卫星配电系统，如图3所示，该系统包括配电模块、遥控模块、多个供电开关；遥控模块由相同的两组结构构成A半区和B半区，每个半区由过流保护电路、主控单片机(MCU)、寻址电路和指令池组成；供电开关包括由A、B两个开关组成的两类供电开关，如图4所示，一类为由A、B两个开关组成的并联供电开关，另一类为由A、B两个开关组成的串联供电开关；如图3所示，每个半区中的过流保护电路一端与配电模块相连，另一端与半区中的主控单片机、寻址电路和指令池相连，为本半区供电，同时，每个半区的过流保护电路还与另一半区指令池产生的供电开关控制信号相连；A半区指令池产生的供电开关控制信号控制两类供电开关的A开关，B半区指令池产生的供电开关控制信号控制两类供电开关的B开关；所述两类供电开关一端均与配电模块相连，并联供电开关的另一端与卫星的默认开功能模块相连，串联供电开关的另一端和默认关功能模块相连。
本发明的工作原理是：
首先将卫星的各个功能模块按照其功能必需性，分为默认开功能模块和默认关功能模块两类。分类规则为，对于维持卫星运行所必须的、最基本的功能模块，划分为默认开功能模块类，例如测控应答机、星载计算机等。对于卫星的增强功能模块或载荷试验模块，划分为默认关功能模块类，例如各备份机、大功率通信试验载荷等。基于上述分类后所有功能模块供电分别由本发明的配电系统中的并联或串联供电开关中的两个开关A、B控制，如图4所示。对于默认开功能模块，采用并联供电开关控制供电；对于默认关功能模块，采用串联供电开关控制供电。这样就可保证，只要供电开关中任一个开关受控，就能控制默认开模块处于上电状态，而默认关模块只有供电开关中两个开关受控才处于上电状态。
本发明的遥控模块采用两个传统的遥控模块，每个遥控模块增加一个过流保护电路形成相同结构的两个半区，如图3所示，每个半区中通过过流保护电路与配电模块相连，单独供电。而过流保护电路又采用交叉控制，即A半区的过流保护电路由B半区输出的供电开关控制信号来控制A半区的上下电，B半区的过流保护电路由A半区输出的供电开关控制信号来控制B半区的上下电。即A、B半区都可以接收控制指令，使对方半区下电或上电，若A、B半区其中一个发生单粒子闩锁导致过流，该半区的过流保护电路使本半区下电时，可通过地面站或星载计算机发送控制指令由另一个半区将该半区恢复供电。
上述过流保护电路既可以接受供电开关控制信号完成上下电功能，又可以在负载超出额定值时自动下电保护。另外，为防止上述两个半区出现同时下电的死锁状态，本发明过流保护电路的受控下电动作为供电开关控制信号的高电平触发。这样当某个半区已经发生过流保护下电后，该半区的供电开关控制信号无法再保持高电平，进而无法触发另一个半区的下电动作，可以保证另一半区不会因为指令误发导致同时下电。
因此，当在遥控模块的某个半区遭遇单粒子闩锁发生下电保护后，该半区输出的所有供电开关控制信号失效时，由于所有功能模块供电为双开关控制，卫星仍可以通过另一个半区控制默认开功能模块供电，维持基础功能。待单粒子闩锁“退火”后，地面站或星载计算机发送控制指令，由另一个半区的供电开关控制信号控制下电半区的过流保护电路重新上电，即可排除掉本次单粒子事件影响。
本发明的配电系统各部件的具体实现说明如下：
本配电系统中的配电模块、供电开关，以及遥控模块中的主控单片机(MCU)、寻址电路和指令池均采用传统技术方案的常规产品。其区别特征在于，遥控模块由两个半区构成，且每个半区增加了过流保护电路，并且各部件的连接关系进行了改进。
本配电系统中的过流保护电路的一种具体实施电路如图5所示，该电路由三个三极管(Q1、Q2、Q3)、三个二极管(D1、D2、D3)、四个电容(C1、C2、C3、C4)和五个电阻(R1、R2、R3、R4、R5)组成；各元件的连接关系为：
Q1的射极与配电模块相连，集电极与半区的主控单片机、寻址电路和指令池相连，为半区供电，基级通过R1与Q2的集电极相连；Q2的射级依次通过正向的D1、R2与GND相连，Q2的基级通过R3与Q1的集电极相连，同时Q2的基级通过反向的D2与GND相连；C1、C2、D3并联后接在Q2的基级与Q3的集电极之间，D3的正极与Q2的基级相连，负极与Q3的集电极相连；Q3的集电极还通过R4与配电模块相连，Q3的射级与GND相连，Q3的基级通过R5与供电开关控制信号相连；供电开关控制信号依次通过C3、C4与GND相连。
上述过流保护电路中主要器件参数的计算公式和参考型号说明如下：
图5中R4、R5、C3、C4和Q3组成最简单的反相器电路，C3、C4为滤波电容，参考值2.2uF，R4参考值2.2K，R5参考值4.7K，Q3参考选用2N2222三极管。C1、C2和D3构成图5中C点与B点的隔离电路，C1、C2要保证一定放电时间，参考值10uF，D3参考选用1N4148。Q1、Q2、R1、R2、R3和D1、D2构成供电和过流保护电路，Q1为供电用PNP功率三极管，参考选用2N6193，Q2为NPN三极管，参考选用2N2222，保护二级管D1、D2参考选用1N4148。该过流保护电路过流值的设定由R1、R2、R3确定，相关计算公式如下：
其中，Iset为设定的过流值，VCC为电源电压，VBE1、VCE1、β1分别为三极管Q1的BE结压降、CE结压降、电流放大倍数，VBE2、VCE2、β2分别为三极管Q2的BE结压降、CE结压降、电流放大倍数，VD1为二极管D1的管压降。本实施例采用的一组典型参考值：VCC＝5V，VBE1＝VBE2＝0.7V，VCE1＝VCE2＝0.2V，VD1＝0.7V，β1＝100β2＝75。若需设定过流值Iset＝1100 mA，则由上述公式计算可得R1+R2＝309，可取R1＝160ohm，R2＝150ohm，R3＝12Kohm。
上述过流保护电路的具体工作原理如下：
图5中A点为供电开关控制信号输入点，当A点输入一个电平下降沿时，经由Q3的反向，B点产生一个对应的上升沿，并通过电容C1、C2，在C点也产生一个电平的上升脉冲，该上升脉冲使得三极管Q2的PN结偏置建立，Q2导通，进而功率三极管Q1导通，D点与电源VCC连通，电源VCC通过D点即向半区主控单片机、寻址电路和指令池的供电。Q1导通后，电容C1、C2通过二极管D3放电，此时C点的电平由D点通过电阻R1、R2、R3分压保持。过流保护电路进入稳定供电状态。
在过流保护电路进入稳定供电状态后，若A点输入一个高电平的供电开关控制信号，则Q3导通，B点输出低电平，C点通过二极管D3向B点放电，电压被拉低，Q2截止，进而Q1截止，D点断电。这个过程是过流保护电路受控下电过程。即供电开关控制信号输入高电平时，过流保护电路下电。通过这种结构，当遥控模块的某个半区下电之后，无法再输出高电平的供电开关控制信号，即无法再关闭另一半区的供电，可保证不会由于指令误发等原因，导致另一个半区同时下电。
在过流保护电路进入稳定供电状态后，若负载电路发生单粒子闩锁效应，负载电流增大，则Q1的电流大幅增大，Q1的管压降增大，导致D点电压下降，进而C点的电压降低直至无法维持Q2正向偏置。Q2截止，Q1截止，半区断电。这个过程是过流保护电路在负载过流后自动下电保护的过程。
在遥控模块某个半区发生单粒子闩锁效应而过流保护后，地面站或者星载计算机可根据实时遥测数据作出判断，发出对应控制指令，由另一个半区将其恢复供电。通过本发明的配电系统，微小卫星的遥控模块可顺利应对单粒子闩锁效应，具备了自恢复能力，显著提高了系统可靠性，同时由于本配电系统的遥控模块不依赖宇航级器件，研制成本也大幅度降低。

Claims (3)

1.一种采用过流保护及双区互看的微小卫星配电系统，包括配电模块、遥控模块、多个供电开关，其特征在于，所述遥控模块有相同的两组结构构成A半区和B半区，每个半区由过流保护电路、主控单片机MCU、寻址电路和指令池组成；所述的供电开关包括由A、B两个开关组成的两类供电开关，一类为由A、B两个开关组成的并联供电开关，另一类为由A、B两个开关组成的串联供电开关；其中，每个半区中的过流保护电路一端与配电模块相连，另一端与半区中的主控单片机、寻址电路和指令池相连，为本半区供电，同时，每个半区的过流保护电路还与另一半区指令池产生的供电开关控制信号相连；A半区指令池产生的供电开关控制信号控制两类供电开关的A开关，B半区指令池产生的供电开关控制信号控制两类供电开关的B开关；所述两类供电开关一端均与配电模块相连，并联供电开关的另一端与卫星的默认开功能模块相连，串联供电开关的另一端和默认关功能模块相连。
2.如权利要求1所述微小卫星配电系统，其特征在于，所述过流保护电路的受控下电动作为供电开关控制信号的高电平触发，当某个半区已经发生过流保护下电后，该半区的供电开关控制信号无法再保持高电平，进而无法触发另一个半区的下电动作。
3.如权利要求1或2所述微小卫星配电系统，其特征在于，所述过流保护电路由三个三极管(Q1、Q2、Q3)、三个二极管(D1、D2、D3)、四个电容(C1、C2、C3、C4)和五个电阻(R1、R2、R3、R4、R5)组成；各元件的连接关系为：
第一三极管(Q1)的射极与配电模块相连，集电极与半区的主控单片机、寻址电路和指令池相连，为半区供电，基级通过第一电阻(R1)与第二三极管(Q2)的集电极相连；第二三极管(Q2)的射级依次通过正向的第一二极管(D1)、第二电阻(R2)与地(GND)相连；第二三极管(Q2)的基级通过第三电阻(R3)与第一三极管(Q1)的集电极相连，同时第二三极管(Q2)的基级通过反向的第二二极管(D2)与地(GND)相连；第一电容、第二电容(C1、C2)、第三二极管(D3)并联后接在第二三极管(Q2)的基级与第三三极管(Q3)的集电极之间；第三二极管(D3)的正级与第二三极管(Q2)的基级相连，负级与第三三极管(Q3)的集电极相连；第三三极管(Q3)的集电极还通过第四电阻(R4)与配电模块相连，第三三极管(Q3)的射级与地(GND)相连，第三三极管(Q3)的基级通过第五电阻(R5)与供电开关控制信号相连；供电开关控制信号依次通过第三、第四电容(C3、C4)与地(GND)相连。
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