TI 的高可靠性航天级电源管理器件可帮助为下一代更智能、更小的卫星供电,从而使 NASA 的工程师们能够更好地探索宇宙

2022 年 3 月 1 日
 

我们的航天级电源管理器件可帮助航空工程师为先进的板载(机载)计算平台供电,从而完成航天任务,同时我们还能让小型卫星变得更加智能,为自主航天器实现人工智能带来了可能性。

经过两年的飞行,航天探测器OSIRIS-REx于2018年8月成功登陆小行星Bennu,收集了其表面物质的样本。探测器的处理器使其通过向任务控制中心发送图像来与地球进行通信,这样NASA团队就可以操纵航天器并确定安全着陆地点。

这是一项艰巨的任务。与我们日常生活中使用的电子设备相比,探测器因受到尺寸限制和太空恶劣环境的影响,其计算能力有限。OSIRIS-REx的板(机)载视觉处理和危险规避系统只能每隔几分钟进行一次导航更新。地球距Bennu的距离为2亿英里,传输信号需要18分钟,所以两者进行通信需要等待很长时间。

 

NASA不允许出现严重的故障,所以工程师通常会使用耐辐射芯片。这种芯片足够坚固,能够承受地球大气层之外的环境,但代价是功率密度有所降低。

为了完成高性能计算任务,工程师需要一种耐受太空环境的全新处理器,并使用TI的航天级电源管理器件为其供电,该电源管理器件采用一种新的封装技术,经过优化可提高性能和功率密度。

NASA戈达德太空飞行中心的工程师Nicholas Franconi介绍:“耐辐射器件的设计没有任何问题。”“问题是,它们的处理能力通常比商用处理器落后10到20年。所以我们决定开发一种新的方法。”

NASA雄心勃勃的小型处理器

NASA的这一决定促进了SpaceCube™系列高性能板(机)载数据处理器的诞生。NASA SpaceCube处理器的核心是一个商用现场可编程门阵列(FPGA),这是一个集成电路,比NASA目前使用的耐辐射处理器强大数百倍。

SpaceCube的FPGA不仅功能强大,还可以通过重新编程实现通常需要从地面通信到雷达等不同处理器才能实现的多种功能。它非常适合部署在小型卫星上,因为对于小型卫星来说,限制组件的数量和尺寸是至关重要的。SpaceCube的超小版本是迷你3.0版,其封装尺寸小于10x10x10厘米,比标准的魔方略大。

Javier Valle拥有TI的航天级负载点降压转换器,可帮助为NASA的SpaceCube供电。

TI航空动力系统经理Javier Valle协助设计了SpaceCube v3.0的电源管理系统,并说:“这是我所见过的最伟大的小型卫星项目之一”。

一个尺寸超小但功能强大的电源管理系统

要在如此小尺寸的封装体内实现高性能计算,需要一种新的方法来为航天级FPGA供电。Javier认为,高性能意味着对电源管理系统的高要求,在小型卫星尺寸受限的发供电系统中满足这些要求具有挑战性。

他继续讲道:“随着卫星板(机)载计算能力的增强,航空工程师需要在不增加卫星尺寸的情况下为电子设备提供更多电力。”“TI的航天级电源产品凭借其超小的外形尺寸以及业内超高的功率密度满足了这一需求。航天应用通常要求采用密封陶瓷封装的组件,这降低了电源效率,因此TI的工程师必须开发新的封装技术,从而缩小解决方案的体积,同时提高功率和性能。”

SpaceCube v3.0的电源系统需要在长时间内高效且持续地提供大量电力,即使组件老化或受到辐射干扰也是如此。

Javier 解释道:“在某些情况下,FPGA 内核的电源电压需要大约一伏特,正负 4%。”“如果内核电压下降超过 4%,FPGA 可能会重启,这意味着你会丢失所有捕捉到的数据,这会导致需要重新对 FPGA 进行编程。如果内核电压上升超过 4%(取决于幅值),则可能对 FPGA 造成永久性损坏。我们的 TPS7H4001-SP 航天级负载点降压转换器在 FPGA 要求的高电流和极端高辐射环境中率先满足这些电压调节要求。”

为了实现自主航天器的板载人工智能,NASA 计划将 SpaceCube v3.0 用于为卫星供电以维持其运行。在未来,它甚至可以利用从月球或火星表面提取的资源,为月球或火星周围的在轨卫星执行长期太空探索任务提供支持。

NASA 负责该项目的首席工程师 Alessandro Geist 说:“我们把 SpaceCube 送上太空后完成的第一个任务是一项与 Hubble 维修任务同时进行的实验,在该实验中,SpaceCube 演示了板(机)载位置算法,这是未来与 Hubble 自动对接的信号。”“需要 25 台标准的耐辐射电脑才能完成这一操作,所以对于重量和功率要求是令人望而生畏的。”

通过将商用耐辐射组件与 TI 的耐辐射电源解决方案结合,SpaceCube v3.0 使太空人工智能成为可能,这不仅有利于执行太空任务的 NASA,还能使利用更低发射成本和小型卫星技术探索太空领域的私营企业受益。

Javier 说:“人们有一种误解,认为小型卫星只能用于简单的应用。”“但由 TI 的航天级器件供电的 SpaceCube 项目表明,即使是小型卫星也可以拥有与大型卫星一样的能力。”

 

关于德州仪器(TI)

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