衛(wèi)星帆板電源陣列模擬器的設計分析

張根苗，黨 政，魏新鳳

（1.中電科儀器儀表（安徽）有限公司，安徽 蚌埠 233010；2.中國電子科技集團公司第四十一研究所，安徽 蚌埠 233010；3.國網(wǎng)安徽省電力公司蚌埠供電公司，安徽 蚌埠 233000）

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)將WiFi搬到太空，千萬顆衛(wèi)星被發(fā)射到太空進行組網(wǎng)，向全球提供高速互聯(lián)網(wǎng)接入服務［1］。為保障太空WiFi信號的快速、穩(wěn)定、可靠，所有衛(wèi)星在發(fā)射之前均需要進行地面測試，以保證衛(wèi)星系統(tǒng)及衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的性能和可靠性。衛(wèi)星電源的功能性能是其中一項關鍵評估內(nèi)容，直接影響到衛(wèi)星系統(tǒng)的運行，間接關系到衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的可靠性和工作壽命［2］-［3］。目前，絕大部分衛(wèi)星電源均采用衛(wèi)星帆板電源作為其能量來源，然而衛(wèi)星系統(tǒng)的地面測試由于場地、溫度、環(huán)境等因素影響，無法使用真實的衛(wèi)星帆板電源直接供電，需要采用衛(wèi)星帆板電源陣列模擬器替代衛(wèi)星帆板電源進行衛(wèi)星系統(tǒng)的地面評估。

文章設計分析一種衛(wèi)星帆板電源陣列模擬器，使用衛(wèi)星帆板電源指數(shù)數(shù)學模型［4］-［6］生成離散型IV曲線表格，將表格存儲在控制FPGA中，利用FPGA的快速查表功能實現(xiàn)模擬器IV外環(huán)控制；模擬器的硬件核心電路采用線性功率調(diào)整輸出方式［3］-［7］，保證盡可能高的動態(tài)性能和高精度指標。

1 IV曲線表格生成

衛(wèi)星帆板電源陣列模擬器采用數(shù)字式IV外環(huán)控制方法，以輸出電壓為索引量［5］，在控制FP?GA中查詢IV特性曲線表格得到對應的電流控制參考量，控制電流源電路實現(xiàn)衛(wèi)星帆板電源模擬功能。因此，IV曲線表格準確與否是模擬器設計的關鍵點之一。

模擬器IV曲線根據(jù)衛(wèi)星帆板電源的指數(shù)模型［6］獲得，利用開路電壓Voc，短路電流ISO，以及最大功率點電壓VM和電流IM確定模擬曲線，公式如下：

模擬器的IV曲線表格根據(jù)模擬器仿真精度線性均分電流量，得到離散的電流數(shù)據(jù)，并將其代入式（1）生成用戶所需的電壓數(shù)據(jù)，電壓、電流數(shù)據(jù)以表格形式成對存儲在控制FPGA中供模擬器查表用。

2 模擬器主電路

模擬器由開關功率調(diào)整部分和線性功率調(diào)整部分組成，開關功率調(diào)整部分采用全橋變換電路和UC3825A控制電路獲得線性功率調(diào)整部分所需的固定輸入電壓Vin。線性功率調(diào)整部分是模擬器的核心硬件電路，如圖1所示，包括FPGA模塊、高速ADC模塊、高速DAC模塊、并聯(lián)功率調(diào)整電路、電流控制電路、電壓控制電路、輸出電壓檢測電路、輸出電流檢測電路和總電流限制電路。采用該電路可獲得優(yōu)秀的動態(tài)調(diào)整特性和較低的紋波/噪聲指標。

圖1 模擬器線性功率調(diào)整部分框圖

從圖1可以看出，衛(wèi)星帆板電源陣列模擬器實質(zhì)上是一種具備特殊仿真功能的可編程直流電源，有固定和仿真兩種工作模式。在固定模式下，電壓控制電路與電流控制電路使用二極管共陽連接，通過競爭方式實現(xiàn)并聯(lián)功率調(diào)整電路恒定電壓或恒定電流輸出功能。在仿真模式下，將電壓控制參考信號上拉至+5V電源來屏蔽電壓控制電路，獲得模擬器的IV外環(huán)控制功能。此時并聯(lián)功率調(diào)整電路以恒流源方式工作，僅電流控制電路有效，控制參考信號是通過高速ADC模塊采樣輸出端電壓，并以此電壓為索引快速查詢控制FP?GA中存儲的IV曲線表格獲得。

無論是固定模式還是仿真模式，并聯(lián)功率調(diào)整電路都是通過多路線性電流源并聯(lián)來拓展模擬器輸出功率，每路電流源采用自控制方式，為避免由于其他路損壞而導致正常工作的電流源過載，設計中考慮增加總電流限制電路，從而限制電流源的控制信號FET_control，保障每路電流源安全可靠工作，免受已損壞的電流源支路影響。

2.1 數(shù)字處理單元

數(shù)字處理單元主要完成模擬器的內(nèi)部通信，電壓電流參考信號、保護信號設定，輸出信號和工作狀態(tài)的回讀與顯示，以及仿真模式下的IV曲線外環(huán)控制等，由FPGA模塊、高速ADC模塊和高速DAC模塊構成，其中FPGA模塊是模擬器數(shù)字處理單元的心臟，充分利用FPGA快速實時查表功能實現(xiàn)仿真模式下的IV曲線模擬，協(xié)調(diào)模擬器整機有序工作。

FPGA選用Xilinx Spartan-6系列XC6SLX16-2CSG225C，它擁有豐富的邏輯資源，支持分布式RAM，同時具有低成本、處理速度快等特點，作為高速高動態(tài)衛(wèi)星帆板電源陣列模擬器的控制器非常適合。設計中FPGA采用VHDL程序語言，模塊化設計方案，根據(jù)模擬器電路細分功能進行各模塊的設計管理，其內(nèi)部組成框圖如圖2所示，包括接口模塊、時鐘管理模塊、開機自測試模塊、狀態(tài)識別與保護模塊、固定模式參數(shù)設定模塊、IV曲線表格存儲模塊、仿真模式參數(shù)設定模塊、仿真模式查表模塊、數(shù)據(jù)采集濾波模塊、數(shù)據(jù)存儲與讀取模塊。

2.2 功率調(diào)整電路

設計采用14路線性壓控電流源電路并聯(lián)實現(xiàn)模擬器的功率調(diào)整，單路壓控電流源電路如圖3所示。該壓控電流源電路主要由運算放大器、功率調(diào)整MOSFET、采樣電阻等器件構成，應用MOSFET漏電流小的特性實現(xiàn)高精度電壓控制電流。

圖2 FPGA內(nèi)部組成框圖

設計中MOSFET選用動態(tài)性能和線性度較好的大功率場效應管IRFP260N，IRFP260N工作在飽和區(qū)，漏電流Id電壓Vgs近似線性關系，從而獲得電壓對電流的高動態(tài)線性控制。驅(qū)動電路由高效運算放大器LM7332及外圍電路構成，LM7332具有寬工作電壓范圍、高輸出電流和高單位增益帶寬特性，同時可驅(qū)動無限容性負載而不產(chǎn)生振蕩，非常適用于本設計。電阻R5為壓控電流源的采樣電阻，通過采樣電阻把輸出電流信號轉(zhuǎn)換為電壓反饋信號，與電壓控制信號FET_CTRL構成壓控電流源的閉環(huán)調(diào)整。為使電路工作穩(wěn)定，增加電容C1和電阻R4構成密勒積分電路，從而減小噪聲的影響。

在進行PCB布局時，考慮到MOSFET工作在飽和區(qū)產(chǎn)生的大量熱耗散會影響驅(qū)動電路的可靠性，因此設計中將14路線性壓控電流源的功率調(diào)整管集中分布在一個散熱器上，并與驅(qū)動電路保持一定距離，有利于驅(qū)動電路的PCB布局。但由于受到模擬器機箱內(nèi)風速、風道等因素影響，散熱器上每一點的熱阻存在差異，為保障每只MOS?FET安全可靠工作，根據(jù)散熱器的熱阻分布調(diào)整每只MOSFET的最大耗散功率，具體方法是采用圖3所示的可變電阻R6和R7，通過調(diào)整電阻R6和R7阻值來改變運算放大器2腳的偏置電壓，從而調(diào)整每只管子的電流大小以及最大耗散功率。

圖3 壓控電流源電路

3 實測結果

根據(jù)上述衛(wèi)星帆板電源陣列模擬器的分析設計，進行了模擬器實際電路的搭建及測試。測試項目主要有編程準確度/回讀準確度、源/載效應、輸出電壓紋波/噪聲、輸出電流紋波/噪聲，測試結果如表1所示。從表1的測試數(shù)據(jù)可以看出，文章設計的模擬器各項技術指標優(yōu)異，其中編程準確度/回讀準確度小于0.2%，電壓源/載效應小于2mV，電流源/載效應小于1mA，輸出電壓紋波/噪聲小于20mVrms/90mVp-p，輸出電流紋波/噪聲小于1mArms/2mAp-p。此外，圖4給出了衛(wèi)星帆板電源陣列模擬器仿真模式下IV特性曲線設置波形與實測波形對比，對比結果顯示：在不同設定參數(shù)下，模擬器的實際輸出波形與設置波形均能很好地保持一致性。

表1 衛(wèi)星帆板電源陣列模擬器固定模式實測結果

4 結論

文章設計的衛(wèi)星帆板電源陣列模擬器根據(jù)衛(wèi)星帆板電源的IV指數(shù)模型，采用XC6SLX16-2CSG225C完成整機IV曲線模擬控制，使用多路線性壓控電流源并聯(lián)實現(xiàn)模擬器功率輸出。經(jīng)實際電路測試驗證，設計的模擬器功能性能好，指標精度高，適用于衛(wèi)星電源系統(tǒng)的地面測試評估。

圖4 衛(wèi)星帆板電源陣列模擬器仿真模式設置波形與實測波形對比