卫星帆板电源阵列模拟器的设计分析

2021-01-07张根苗魏新凤

安徽职业技术学院学报 2020年4期

张根苗，党政，魏新凤

（1.中电科仪器仪表（安徽）有限公司，安徽蚌埠 233010；2.中国电子科技集团公司第四十一研究所，安徽蚌埠 233010；3.国网安徽省电力公司蚌埠供电公司，安徽蚌埠 233000）

卫星互联网将WiFi搬到太空，千万颗卫星被发射到太空进行组网，向全球提供高速互联网接入服务［1］。为保障太空WiFi信号的快速、稳定、可靠，所有卫星在发射之前均需要进行地面测试，以保证卫星系统及卫星互联网系统的性能和可靠性。卫星电源的功能性能是其中一项关键评估内容，直接影响到卫星系统的运行，间接关系到卫星互联网的可靠性和工作寿命［2］-［3］。目前，绝大部分卫星电源均采用卫星帆板电源作为其能量来源，然而卫星系统的地面测试由于场地、温度、环境等因素影响，无法使用真实的卫星帆板电源直接供电，需要采用卫星帆板电源阵列模拟器替代卫星帆板电源进行卫星系统的地面评估。

文章设计分析一种卫星帆板电源阵列模拟器，使用卫星帆板电源指数数学模型［4］-［6］生成离散型IV曲线表格，将表格存储在控制FPGA中，利用FPGA的快速查表功能实现模拟器IV外环控制；模拟器的硬件核心电路采用线性功率调整输出方式［3］-［7］，保证尽可能高的动态性能和高精度指标。

1 IV曲线表格生成

卫星帆板电源阵列模拟器采用数字式IV外环控制方法，以输出电压为索引量［5］，在控制FP⁃GA中查询IV特性曲线表格得到对应的电流控制参考量，控制电流源电路实现卫星帆板电源模拟功能。因此，IV曲线表格准确与否是模拟器设计的关键点之一。

模拟器IV曲线根据卫星帆板电源的指数模型［6］获得，利用开路电压Voc，短路电流ISO，以及最大功率点电压VM和电流IM确定模拟曲线，公式如下：

模拟器的IV曲线表格根据模拟器仿真精度线性均分电流量，得到离散的电流数据，并将其代入式（1）生成用户所需的电压数据，电压、电流数据以表格形式成对存储在控制FPGA中供模拟器查表用。

2 模拟器主电路

模拟器由开关功率调整部分和线性功率调整部分组成，开关功率调整部分采用全桥变换电路和UC3825A控制电路获得线性功率调整部分所需的固定输入电压Vin。线性功率调整部分是模拟器的核心硬件电路，如图1所示，包括FPGA模块、高速ADC模块、高速DAC模块、并联功率调整电路、电流控制电路、电压控制电路、输出电压检测电路、输出电流检测电路和总电流限制电路。采用该电路可获得优秀的动态调整特性和较低的纹波/噪声指标。

图1 模拟器线性功率调整部分框图

从图1可以看出，卫星帆板电源阵列模拟器实质上是一种具备特殊仿真功能的可编程直流电源，有固定和仿真两种工作模式。在固定模式下，电压控制电路与电流控制电路使用二极管共阳连接，通过竞争方式实现并联功率调整电路恒定电压或恒定电流输出功能。在仿真模式下，将电压控制参考信号上拉至+5V电源来屏蔽电压控制电路，获得模拟器的IV外环控制功能。此时并联功率调整电路以恒流源方式工作，仅电流控制电路有效，控制参考信号是通过高速ADC模块采样输出端电压，并以此电压为索引快速查询控制FP⁃GA中存储的IV曲线表格获得。

无论是固定模式还是仿真模式，并联功率调整电路都是通过多路线性电流源并联来拓展模拟器输出功率，每路电流源采用自控制方式，为避免由于其他路损坏而导致正常工作的电流源过载，设计中考虑增加总电流限制电路，从而限制电流源的控制信号FET_control，保障每路电流源安全可靠工作，免受已损坏的电流源支路影响。

2.1 数字处理单元

数字处理单元主要完成模拟器的内部通信，电压电流参考信号、保护信号设定，输出信号和工作状态的回读与显示，以及仿真模式下的IV曲线外环控制等，由FPGA模块、高速ADC模块和高速DAC模块构成，其中FPGA模块是模拟器数字处理单元的心脏，充分利用FPGA快速实时查表功能实现仿真模式下的IV曲线模拟，协调模拟器整机有序工作。

FPGA选用Xilinx Spartan-6系列XC6SLX16-2CSG225C，它拥有丰富的逻辑资源，支持分布式RAM，同时具有低成本、处理速度快等特点，作为高速高动态卫星帆板电源阵列模拟器的控制器非常适合。设计中FPGA采用VHDL程序语言，模块化设计方案，根据模拟器电路细分功能进行各模块的设计管理，其内部组成框图如图2所示，包括接口模块、时钟管理模块、开机自测试模块、状态识别与保护模块、固定模式参数设定模块、IV曲线表格存储模块、仿真模式参数设定模块、仿真模式查表模块、数据采集滤波模块、数据存储与读取模块。

2.2 功率调整电路

设计采用14路线性压控电流源电路并联实现模拟器的功率调整，单路压控电流源电路如图3所示。该压控电流源电路主要由运算放大器、功率调整MOSFET、采样电阻等器件构成，应用MOSFET漏电流小的特性实现高精度电压控制电流。

图2 FPGA内部组成框图

设计中MOSFET选用动态性能和线性度较好的大功率场效应管IRFP260N，IRFP260N工作在饱和区，漏电流Id电压Vgs近似线性关系，从而获得电压对电流的高动态线性控制。驱动电路由高效运算放大器LM7332及外围电路构成，LM7332具有宽工作电压范围、高输出电流和高单位增益带宽特性，同时可驱动无限容性负载而不产生振荡，非常适用于本设计。电阻R5为压控电流源的采样电阻，通过采样电阻把输出电流信号转换为电压反馈信号，与电压控制信号FET_CTRL构成压控电流源的闭环调整。为使电路工作稳定，增加电容C1和电阻R4构成密勒积分电路，从而减小噪声的影响。

在进行PCB布局时，考虑到MOSFET工作在饱和区产生的大量热耗散会影响驱动电路的可靠性，因此设计中将14路线性压控电流源的功率调整管集中分布在一个散热器上，并与驱动电路保持一定距离，有利于驱动电路的PCB布局。但由于受到模拟器机箱内风速、风道等因素影响，散热器上每一点的热阻存在差异，为保障每只MOS⁃FET安全可靠工作，根据散热器的热阻分布调整每只MOSFET的最大耗散功率，具体方法是采用图3所示的可变电阻R6和R7，通过调整电阻R6和R7阻值来改变运算放大器2脚的偏置电压，从而调整每只管子的电流大小以及最大耗散功率。

图3 压控电流源电路

3 实测结果

根据上述卫星帆板电源阵列模拟器的分析设计，进行了模拟器实际电路的搭建及测试。测试项目主要有编程准确度/回读准确度、源/载效应、输出电压纹波/噪声、输出电流纹波/噪声，测试结果如表1所示。从表1的测试数据可以看出，文章设计的模拟器各项技术指标优异，其中编程准确度/回读准确度小于0.2%，电压源/载效应小于2mV，电流源/载效应小于1mA，输出电压纹波/噪声小于20mVrms/90mVp-p，输出电流纹波/噪声小于1mArms/2mAp-p。此外，图4给出了卫星帆板电源阵列模拟器仿真模式下IV特性曲线设置波形与实测波形对比，对比结果显示：在不同设定参数下，模拟器的实际输出波形与设置波形均能很好地保持一致性。