Il controllo della potenza e la gestione termica sono forse i temi più importanti nei sistemi elettronici del mercato aerospaziale e della difesa, in quanto i progettisti hanno l'obiettivo di migliorare le prestazioni e ridurre i formati dei dispositivi per accogliere nuovi sistemi come veicoli senza equipaggio.
Introduzione
L'elettronica sta diventando sempre più onnipresente negli ambienti militari e aerospaziali di oggi. Gli ingegneri lavorano su sistemi di sviluppo di quantità sempre crescente, compresi i velivoli, i veicoli terrestri, le navi, i veicoli spaziali e i satelliti e persino i warfighter sul campo di battaglia. Un'alimentazione elettrica affidabile e continua è essenziale per il successo di una missione spaziale. Il sole fornisce circa 1,4 chilowatt di potenza per metro quadrato in orbita terrestre - una risorsa generosa che i progettisti spaziali sfruttano al meglio nei sistemi di raccolta di energia. Questo è il motivo per cui la maggioranza delle navi spaziali incorpora matrici solari o più semplicemente pannelli solari per la circuiteria di power management. Questi sono costituiti da celle fotovoltaiche collegate in una rete che producono una corrente elettrica quando illuminate dalla radiazione solare, in pratica lavorano come i diodi emettitori di luce (LED), ma in senso inverso. È interessante notare che le tecnologie dietro le celle solari e i LED sono molto simili. Ma questa libera disponibilità di potenza non significa che progettare un sistema di alimentazione del satellite sia un compito facile. L'efficienza delle celle fotovoltaiche raggiunge il 30-35% per i progetti più recenti, ma è ridotta dal riscaldamento dal sole e dai danni da radiazioni durante la vita di un satellite (figura 1). Ciò significa che gli array solari devono essere di dimensioni significative per fornire livelli di potenza utili (nell'ordine di decine di metri quadrati per un tipico satellite di comunicazione).
Figura 1: International Space Station
Problemi di progettazione e integrazione
I progettisti di sistemi militari e aerospaziali affrontano un insieme di sfide per quanto riguarda l'alimentazione e le questioni termiche. Una sfida, specialmente con i sistemi militari, è la necessità di soddisfare specifiche norme: nei sistemi militari, diversi standard governano la qualità dell'alimentazione: uno per i sistemi aerei, uno per i sistemi a terra e un terzo è un ampio standard di interferenza EMI [elettromagnetica] che copre essenzialmente tutti i tipi di chassis a terra, navali e aerei. Un alimentatore in un veicolo militare terrestre, ad esempio, deve soddisfare alcuni aspetti di uno standard che regola l'alimentazione elettrica e la qualità dell'energia per veicoli terrestri, conosciuto come MIL-STD-1275. Gli ingegneri si trovano ad affrontare la progettazione di funzionalità innumerevoli in sistemi che devono rispettare requisiti di peso e consumo energetico (SWaP), oltre a fornire una dissipazione sufficiente di calore e soddisfare quindi gli standard aerospaziali e di difesa. In breve, più elettronica si traduce in più consumo di energia e maggiore produzione di calore. Queste sfide di potenza e di calore sono ulteriormente esacerbate dai locali remoti e dagli estremi del range di temperatura di lavoro in cui i sistemi devono funzionare in modo affidabile e senza fallimenti. Per l'elettronica che opera in un ambiente difficile, l'affidabilità è direttamente correlata alla temperatura operativa. Per ottenere una maggiore affidabilità a temperature più elevate, è necessario definire la parte di potenza con componenti ad alta affidabilità, quindi ridurre al minimo la dissipazione di potenza e massimizzare il trasferimento di calore.
System-level design
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