Sistemas de Alta Fiabilidad en Misiones Espaciales: Convertidores DC-DC
La elección de los sistemas de alimentación, como los convertidores DC-DC, para aplicaciones críticas que se usan en vehículos espaciales han de cumplir estrictas normativas para garantizar un alto nivel de fiabilidad. En el siguiente artículo explicamos qué es la alta fiabilidad y las normativas que las regulan.
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Convertidores DC-DC en la misión espacial CHEOPS
Lanzado en diciembre de 2019, el satélite Cheops (CHaracterizing ExOPlanet Satellite) de la ESA (Agencia Espacial Europea) abrió sus ojos al Universo a fines de enero de 2020 y poco después tomó las primeras imágenes de estrellas. El objetivo principal de la misión es reunir información sobre los miles de exoplanetas que se han detectado en las últimas décadas.
A bordo del satélite Cheops se encuentran los convertidores DC-DC del fabricante VPT, diseñados para cumplir las misiones en el espacio con fiabilidad y eficiencia. Estos convertidores de alta fiabilidad han tenido que pasar exigentes pruebas y exámenes para poder usarse en aplicaciones espaciales.
Satélite de la Misión Cheops
Sistemas de Alimentación para Proyectos en el Espacio
La mayoría de los sistemas de alimentación para aplicaciones que requieren alta fiabilidad pueden construirse a partir de modelos estándar. El escenario típico requiere varios voltajes de salida DC y también varios niveles de potencia, y generalmente se puede diseñar con convertidores DC-DC estándar, filtros EMI y algunos accesorios.
Un sistema de alimentación modular puede desarrollarse más rápido y a un costo inferior que un enfoque con producto a medida (o «custom»). Esta afirmación incluye a las aplicaciones críticas. La fiabilidad a menudo puede ser tan alta o incluso más que la de un diseño personalizado.
Productos VPT de alta fiabilidad para misiones críticas
Las aplicaciones críticas van, desde las incluidas en submarinos hasta las de defensa, o desde aviónica comercial y militar hasta el espacio profundo. Varios fabricantes ofrecen convertidores DC-DC, convertidores PoL de punto de carga, filtros EMI y otros módulos de potencia, todos ellos con alta fiabilidad. La pregunta es, ¿cómo conocer qué nivel de calidad y fiabilidad se está obteniendo y cómo seleccionar el nivel correcto para su aplicación?
¿Qué es la alta fiabilidad?
La alta fiabilidad es mucho más que una característica que publicita el fabricante. Los convertidores DC-DC de alta fiabilidad deben cumplir con ciertos estándares del campo eléctrico y ambiental, así como con requisitos de calidad definidos. Esos requisitos dependen del grado de fiabilidad del producto. Se pueden dividir en tres categorías: COTS para alta fiabilidad, Mil-Spec para grado militar y MIL-PRF-38534 clase K para grado espacial.
Certificación MIL-PRF-38534 para clase H y K
Las diferencias entre estos grados de fiabilidad son sutiles y pueden maquillarse con estrategias de marketing. La documentación del producto debe estudiarse cuidadosamente para determinar exactamente qué es ese producto e, igualmente importante, qué no es.
Los puntos básicos a tener en cuenta son el grado de temperatura de trabajo, la hermeticidad, el cumplimiento de las especificaciones y una calificación ambiental rigurosa. La prueba definitiva de fiabilidad más allá de estos puntos es la calificación oficial y la certificación del Departamento de Defensa de los EE.UU.
Normativa para Convertidores DC-DC de Grado Espacial
Los convertidores DC-DC, de tecnología híbrida a nivel espacial, resistentes a la radiación, se rigen por la normativa MIL-PRF-38534.
Es una especificación general para microcircuitos híbridos. La certificación MIL-PRF-38534 se otorga y se audita por la Agencia de Logística de Defensa (DLA) terrestre y marítima, anteriormente DSCC, una agencia del Departamento de Defensa de los EE.UU. Un verdadero convertidor DC-DC de grado espacial estará cualificado por esta certificación y se enumerará con un “Standard Microcircuit Drawing” (SMD).
La MIL-PRF-38534 no se centra sólo en el producto final, sino también en los componentes, materiales y procesos utilizados para fabricarlo. Esto significa que el convertidor está construido en una línea de fabricación cualificada por la DLA, homologada y disponible con un SMD de la DLA. Este estricto proceso garantiza que la calidad se incorpore al producto desde el principio, y no se agregue más tarde.
Línea de fabricación cualificada
Los convertidores DC-DC de grado espacial se obtienen con la MIL-PRF-38534 clase K. La clase K incluye la evaluación de elementos adicionales y apantallamiento adicional, se trata de un nivel superior a la clase H (grado militar).
Características de los Convertidores DC-DC de Grado Espacial
De acuerdo a estas normativas, un convertidor DC-DC de grado espacial debería cumplir las siguientes características:
Sin optoacopladores
Un convertidor DC-DC fiable de grado espacial no utilizará optoacopladores ya que el LED dentro de un optoacoplador es sensible al daño por desplazamiento de la radiación de protones. En su lugar, se debe utilizar la retroalimentación magnética, que es insensible a los efectos de la radiación.
Amplio rango de temperatura
Los dispositivos MIL-PRF-38534 clase H y K están especificados para funcionar continuamente en el rango de temperatura militar completo de -55 °C a + 125 ° C. La operación a alta temperatura se habilita con semiconductores de potencia «bare die” y encapsulados de cerámica y metal de alta conductividad térmica. La verdadera operación continua a 125 ° C y a plena potencia es imposible de lograr con circuitos integrados de plástico encapsulados y montaje en PCB.
Encapsulados herméticos
Los módulos convertidores híbridos DC-DC están sellados herméticamente, generalmente en encapsulados de metal soldados y sellados con vidrio o cerámica. La hermeticidad protege los dispositivos semiconductores internos de fallos relacionados con la humedad. La hermeticidad también permite que el dispositivo tolere procesos de limpieza de líquidos durante el montaje.
Sin estaño puro
MIL-PRF-38534 prohíbe específicamente el uso de acabados de estaño puro internos y externos, con porcentaje superior al 97% de estaño, que pueden producir hilillos de estaño. Asegúrese de que el fabricante haya implementado un programa para detectar componentes y eliminar el estaño puro.
Línea de fabricación cualificada
El convertidor DC-DC homologado para espacio, debe fabricarse en una empresa listada en el QML y en una línea de fabricación cualificada. Todos los procesos utilizados en la fabricación del producto deben ser cualificados y auditados por la DLA. Estos fabricantes deben estar certificados con la ISO-9001 y, por encima de eso, con la MIL-PRF-38534.
Radiación de dosis ionizantes totales (TID)
Todas las aplicaciones espaciales requerirán cierto nivel de garantía de radiación TID. La radiación TID se ve afectada por el blindaje. Para órbitas terrestres bajas o donde el convertidor DC-DC está blindado adecuadamente, una garantía de 30 krad (Si) a menudo es suficiente. Para órbitas más altas o misiones más largas, se puede requerir una garantía de 100 krad (Si).
Sensibilidad mejorada de baja tasa de dosis (ELDRS)
Las pruebas a tasas de dosis de radiación más bajas, más cercanas a las observadas en entornos espaciales reales, han mostrado una mayor sensibilidad a la radiación en algunos componentes, especialmente en las tecnologías bipolares. Los programas espaciales modernos seguramente tendrán un requisito de ELDRS, generalmente al mismo nivel que el requisito de TID.
Efectos de eventos únicos (SEE)
Los efectos de eventos únicos son causados por partículas energéticas que interactúan con los semiconductores internos del convertidor DC-DC. El SEE no puede protegerse y debe tratarse en el diseño inicial del convertidor DC-DC. El SEE puede causar transitorios simples en la salida, bajadas, apagados y reinicios, bloqueos o fallos graves. Los fallos graves en un convertidor DC-DC a menudo son causados por el fallo del MOSFET de alimentación. Una clasificación SEE de 44 MeV-cm2/mg cubre la mayoría de las partículas que una nave espacial puede encontrar en su vida útil y es suficiente para la mayoría de los programas.
El peor caso y análisis de radiación
Por lo general, se requiere una garantía del rendimiento del convertidor DC-DC al final de la vida útil después de la radiación. El fabricante deberá realizar un análisis detallado del peor de los casos para el rendimiento del circuito, incluidos los efectos de final de vida útil y de radiación.
TOR aeroespacial
Algunos programas espaciales se rigen por el informe de The Aerospace Corporation, «Requisitos técnicos para piezas, materiales y procesos electrónicos utilizados en vehículos espaciales y de lanzamiento», comúnmente conocido como «TOR». El TOR especifica requisitos de calidad adicionales por encima y más allá de MIL-PRF-38534 Clase K. Estos requisitos a menudo se pueden cumplir de forma personalizada con un convertidor de DC-DC híbrido de Clase K.
Conclusión
Puede ser difícil determinar las especificaciones de calidad enumeradas en la documentación del fabricante, pero es fundamental hacerlo al seleccionar el nivel correcto de convertidor DC-DC para una misión en el espacio. Para optimizar la fiabilidad del sistema y controlar los costes, es importante comprender completamente los productos que se planean utilizar en el diseño. Es aconsejable seleccionar un fabricante de confianza con experiencia comprobada en aplicaciones de alta fiabilidad.
Diseñados recientemente según los estrictos estándares actuales de los programas espaciales, los convertidores de potencia DC-DC de grado espacial de VPT ofrecen la última tecnología disponible y brindan a los usuarios soluciones de alimentación optimizadas para su fiabilidad y rendimiento. Todos los convertidores de grado espacial están diseñados y fabricados en una instalación certificada según MIL-STD-883 y MIL-PRF-38534 Clase H (militar) y K (espacio) y cualificados según la ISO 9001.
Convertidores DC-DC de VPT para misiones espaciales
Más información sobre Sistemas de Alimentación
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