Diseño de convertidor DC/DC para cargas digitales en entornos espaciales

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Emilia Olivares Ávila
hace 6 años
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1 Diseño de convertidor DC/DC para cargas digitales en entornos espaciales Autor: José Ramón Rodríguez Domínguez Director: Jordi Catalán Morros La empresa CRISA (Computadoras, Redes e Ingeniería, S.A.) posee una gran experiencia en el diseño y construcción de convertidores DC/DC para aplicaciones aeroespaciales, que han tenido que utilizar en una gran parte de sus proyectos. Éstos son principalmente proyectos de vuelo, es decir, que están diseñados para trabajar bajo las condiciones específicas que se dan en el espacio como el vacío y la radiación. Hasta ahora se ha estado diseñando un convertidor para cada uno de los proyectos que se han realizado, lo que lleva a un consumo de los recursos de la empresa (como son el tiempo o el personal dedicado a ese proyecto) en volver a diseñar uno nuevo. Este proyecto trata de ser un estándar en la empresa en convertidores para alimentar cargas digitales buscando que sea reutilizable y fácilmente ajustable, para ahorrar y poder aprovechar de otra forma dichos recursos. Para realizarlo, se ha diseñado para los dos tensiones de entradas más comunes: las denominadas buses de 28V (entre 21V y 37V) y de 50V (entre 45V y 56V). Como salidas, las más utilizadas en la empresa; a saber: 1

2 Corriente Salidas Tensión Mínima Máxima 3V3 3.3 V 50 ma 3 A LV 1.5/1.8/2.5 V 50 ma 1.5 A 5V5 5.5 V 50 ma 0.5 A Tabla de valores de las salidas del convertidor Al ser un proyecto de vuelo, hay que tener en cuenta que debe estar trabajando durante muchos años (entre 10 y 20) sin que pueda ser reparado, estando además en condiciones adversas debido a la radiación y a grandes variaciones en la temperatura. Para diseñar el convertidor se han utilizado los métodos habituales en CRISA, que consisten en una serie de análisis para encontrar los componentes adecuados que cumplan con los requisitos del diseño. Se ha tenido siempre presente que debe ser lo más pequeño y barato posible sin olvidar la seguridad del circuito. Los análisis efectuados han sido: Cálculos preliminares: En ellos se calculan los elementos más importantes del diseño: el transformador, los semiconductores, los filtros de los secundarios y la frecuencia de conmutación. Power Budget: Es el análisis de la disipación de los componentes en el peor caso. Worst Case Analysis (WCA): Con este tipo de análisis se comprueban que las características se cumplan en todas las situaciones y casos posibles, incluso al final de su vida útil. Part Stress Analysis (PSA): Es el análisis de cada uno de los componentes del circuito. Se trata de comprobar que los valores máximos a los que puede llegar en el circuito no superan las especificaciones del fabricante de ese componente derateados (reducidos) según la norma. 2

3 Además del objetivo de diseñar el convertidor, se ha buscado mejorar en la predicción del comportamiento del circuito a través de simulaciones en Spice del mismo convertidor. Para ello se ha buscado una mejora en la caracterización del transformador, que es un elemento complejo y que además, requiere de medidas muy precisas y difíciles de obtener. Como resultado se ha conseguido un modelo del convertidor DC/DC suficientemente pequeño aunque superando el precio objetivo. Se ha conseguido un modelo del transformador, que puede utilizarse en simulaciones con respecto al tiempo realizándose con gran rapidez. Por último, como continuación del proyecto se deberá elaborar un prototipo del diseño para comprobar su correcto funcionamiento, y al mismo tiempo estudiar si el modelo del transformador y de las simulaciones en Spice son suficientemente cercanas a la realidad como para poder utilizarla como herramientas de predicción para futuros proyectos. 3

4 ABTRACT DESIGN OF DC / DC CONVERTER FOR DIGITAL LOADS IN SPACE ENVIRONMENTS Author: José Ramón Rodríguez Domínguez Director: Jordi Catalán Morros ABSTRACT The company CRISA (Computadoras, Redes e Ingeniería, S.A.) has extensive experience in designing and building DC / DC converters, which been used in most of its projects. Those are mainly flight projects that are designed to withstand the specific conditions of the space environment. Until now we have been designing a converter for each of the projects that have been made, which leads to consume corporate resources (such as the task force dedicated to this project) to redesign a new one. This project aims to be a company standard to power converters for digital loads looking to be reusable and easily adjustable, to save and otherwise take advantage of these resources. To do this, it has designed for the two most common input voltage: The so called as 28V (between 21Vand37V) and 50V (between 45Vand56V) power busses. As outputs, the most commonly used in business, are the following: Current Outputs Voltage Low High 3V3 3.3 V 50 ma 3 A LV 1.5/1.8/2.5 V 50 ma 1.5 A 5V5 5.5 V 50 ma 0.5 A Table of values of the converter outputs 4

5 ABTRACT As a flight project, it must note that should be working for many years (between 10 and 20) without being able to be repaired. Additionally it will be in adverse conditions due to radiation and big temperature variations. The design of this converter takes into account the standard methods used in CRISA, which consist of a series of tests to find the right components that comply with design requirements. This design has to be as smaller and cheaper as possible without forgetting the reliability of the electronics. The analyses performed were the following: Preliminary calculation: It calculates the most important elements of design: the transformer, semiconductors, secondary filters, switching frequency and so on. Power Budget: Analysis of the parts dissipations in worst case. Worst Case Analysis(WCA):This type of analysis shows that the performances are met in all possible cases and situations, even at the end of its useful life. Part Stress Analysis (PSA): The stress analysis of individual parts. This is to verify that the limits in which the parts may be able to operate are inside of their de-rating values considering the specifications of the manufacturer of that component. In addition to the objective of designing the converter, it has searched to improve the prediction of circuit behavior throughout Spice simulations of the converter. To this end it has sought an improvement in the characterization of the transformer, which is complex and also requires very precise measurements and it is difficult to obtain. As a result, it has been achieved a model of DCDC converter small enough, for this application though it has been even surpassed the target price. It has achieved a transformer model using a quick method which can be used in simulations with respect to time. 5

6 ABTRACT Finally, as a continuation of the project is expected to develop a prototype of the design to verify proper operation, and also consider whether the model of the transformer and Spice simulations are sufficiently close to reality as to use as predictive tools for future projects. 6

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