星载二次电源及其运行方法与流程

本发明涉及航空航天，特别涉及一种星载二次电源及其运行方法。

背景技术：

1、卫星单机二次电源为星上载荷、控制电路提供稳定二次电压，是卫星单机最核心的供电子系统，其供电可靠性直接决定单机乃至整星在轨工作寿命。

2、现阶段航天卫星二次电源通用解决方案为：全部采用航天级高可靠dcdc电源芯片/模块，该类器件具备专门空间辐照加固指标、抗单粒子效应、抗总剂量辐照能力，在轨可靠性高，可满足长寿命在轨工作需求。

3、但该类航天级器件存在致命缺陷：采购成本极高，单颗航天级dcdc芯片价格为同规格工业级芯片的几十倍，同时供货周期非常长，极大增加卫星单机研发成本与项目周期，不利于商业小卫星、批量化低轨卫星低成本组网发展。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种星载二次电源及其运行方法，以解决现有的航天级器件成本高不利于量产卫星组网的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明提供一种星载二次电源，包括：

3、多路直流变换单元，被并联设置于输入滤波模块与输出汇流模块之间，且包括无辐照指标工业级和/或车规级dcdc芯片以用于将星载电源的一次电压进行dcdc变换为二次电压；以及mcu控制模块，被配置为控制多路直流变换单元的供电和/或关断状态。

4、可选的，在所述的星载二次电源中，还包括：

5、输入滤波模块，被连接至卫星一次电源总线，以引入轨上稳态一次电压；

6、输出汇流模块，被设置于多路直流变换单元的输出侧，用于汇集各路直流变换单元的输出功率并向星上载荷分配二次电压；

7、电压/电流检测模块，被配置为具有多个采样节点，分别与多路直流变换单元的各路直流变换单元的输出侧连接，并将各路直流变换单元的输出电压和/或输出电流的采样值提供至mcu控制模块；以及

8、负载后端滤波模块，被配置为连接至输出汇流模块的输出端，以对二次电压进行滤波；

9、其中mcu控制模块还被配置为分别电性连接至多路直流变换单元的使能引脚。

10、可选的，在所述的星载二次电源中，还包括：

11、被动辐照屏蔽外壳，被配置为一体式铝合金被动屏蔽外壳，整体包覆于多路直流变换单元的外部，屏蔽壳体壁厚设置为能够拦截空间辐照粒子的阈值厚度。

12、可选的，在所述的星载二次电源中，所述多路直流变换单元由无空间辐照加固指标的工业级和/或车规级dcdc芯片构建，无辐照指标工业级和/或车规级dcdc芯片包括通用降压芯片lm2596；

13、mcu控制模块选用工业级和/或车规级stm32f767zit6单片机，以进行电压电流采集、通道使能控制和故障遥测上报。

14、可选的，在所述的星载二次电源中，所述多路直流变换单元包括作为热备供电通道的第一直流变换单元和第二直流变换单元；以及

15、所述多路直流变换单元还包括作为冷备备用供电通道的第三直流变换单元和第四直流变换单元；

16、其中所述热备供电通道在常态工作模式下并联在线供电；

17、以及所述冷备备用供电通道在常态工作模式下休眠关断。

18、本发明还提供一种如上所述的星载二次电源的运行方法，包括：

19、卫星正常在轨时运行常态工作模式，作为热备供电通道的第一直流变换单元和第二直流变换单元同步上电及并联输出，共同为后端卫星单机内部负载供电，以及作为冷备备用供电通道的第三直流变换单元和第四直流变换单元休眠关断；

20、故障实时监测工作模式下，mcu控制模块关闭出现故障的热备供电通道，并开通休眠中的冷备备用供电通道，使冷备备用供电通道上电及并联输出，以替代出现故障的热备供电通道。

21、可选的，在所述的星载二次电源的运行方法中，还包括：

22、由mcu控制模块持续采集各路直流变换单元的输出功率，以判断是否进入故障实时监测工作模式；

23、其中mcu控制模块在每个采样周期中采集两路热备供电通道的输出电压和/或输出电流，并与预设的航天电源故障判定阈值进行对比，若输出电压超出故障判定阈值的范围，和/或输出电流超过额定满载电流故障阈值，则判定对应热备供电通道发生硬件故障，进入故障实时监测工作模式，并运行分级故障切换控制逻辑。

24、可选的，在所述的星载二次电源的运行方法中，所述运行分级故障切换控制逻辑包括当单路热备供电通道出现故障时，所述mcu控制模块拉低出现故障的热备供电通道的使能引脚，关断出现故障的热备供电通道，同时唤醒两路冷备备用供电通道中的一路，一路冷备备用供电通道软启动后接入输出汇流模块，一路常态工作模式的热备供电通道与一路唤醒冷备备用供电通道并联供电，使后端负载正常供电。

25、可选的，在所述的星载二次电源的运行方法中，所述运行分级故障切换控制逻辑还包括当两路热备供电通道同时故障时，所述mcu控制模块同步关断两路出现故障的热备供电通道，同时唤醒两路冷备备用供电通道，两路冷备备用供电通道并联接替全部供电工作，使后端负载正常供电。

26、可选的，在所述的星载二次电源的运行方法中，还包括：

27、当故障恢复时，mcu控制模块根据检测的各路直流变换单元的输出电压和/或输出电流的采样值得到通道状态，若通道状态显示在轨环境干扰导致的瞬时故障消除，则恢复至常态工作模式，以及将全部故障信息打包通过遥测接口上报星上综合计算机。

28、在本发明提供的星载二次电源及其运行方法中，通过多路直流变换单元由无辐照指标工业级和/或车规级dcdc芯片将星载电源的一次电压进行dcdc变换为二次电压，采购成本低采购周期短，降低卫星单机研发成本与项目周期，实现商业小卫星、批量化低轨卫星低成本组网发展，且mcu控制模块，被配置为控制多路直流变换单元的供电和/或关断状态，能够提供系统控制冗余，实现航天级器件的故障处理水平，满足专门空间辐照加固指标、抗单粒子效应、抗总剂量辐照能力，在轨可靠性高，实现长寿命在轨工作需求。

29、车规级：通过 aec-q100 汽车电子委员会针对集成电路制定的可靠性资格认证要求，并满足相应汽车应用可靠性要求的集成电路。

30、工业级：指面向工业应用环境并具有工业级高可靠特性的dc/dc变换器集成电路。所述无辐照指标工业级dcdc芯片优选为按照中国电子学会团体标准t/cie 068-2020《工业级高可靠集成电路评价 第2部分：dc/dc变换器》进行评价并满足相应评价要求的dc/dc变换器集成电路；或者为芯片制造商明确标称为industrial grade、industrialtemperature grade或具有等效工业级可靠性等级的dc/dc变换器集成电路。

31、本发明的发明人经过研究发现，为降低电源成本，现有技术中存在少量采用无辐照指标工业级和/或车规级cots器件搭建卫星电源的方案，但现有低成本电源方案存在明显技术缺陷：

32、缺陷一：仅采用简单双热备冗余架构，两路电源同时在线工作，静态功耗高，无法适配卫星低功耗在轨需求。由于两路热备电源始终处于满载或半载运行状态，长期在轨工作会导致整机热耗散增加，进而迫使卫星热控子系统增加散热面积与功耗，违背低轨商业卫星轻量化与低功耗设计原则。

33、缺陷二：仅采用双冷备冗余架构，故障切换延时大，切换过程存在供电断点，会导致星上敏感载荷瞬时掉电复位。冷备电源在正常工作状态下处于完全断电休眠状态，一旦主路发生故障，系统需要经历故障检测、控制逻辑运算、继电器或功率管动作、输出电容重新建立电压等一系列物理过程，切换时间通常达到数十毫秒甚至百毫秒级，该断点时间远超星上姿态控制陀螺仪、精密光学载荷或通信基带芯片的允许掉电阈值。

34、缺陷三：直接裸用工业级dcdc芯片，无配套空间简易防护措施，无法抵御空间弱辐照环境，器件在轨失效概率极高。工业级商用芯片未进行任何抗总剂量辐照与抗单粒子翻转设计，在低轨空间质子与电子累积辐照作用下，芯片内部栅氧层会逐渐产生陷阱电荷，导致阈值电压漂移、漏电流激增，最终引发参数退化或功能失效；即便发生单次单粒子穿透，亦会造成控制逻辑紊乱或功率管误导通，缺乏物理屏蔽结构直接上星，系统平均无故障时间无法满足工程指标。

35、综上，现有航天电源无法同时兼顾低成本、高可靠、低功耗等需求，本方案针对上述行业痛点进行设计。

36、本发明构建包含两路热备供电通道与两路冷备通道的四路混合冗余供电拓扑，全部选用无辐照指标工业级和/或车规级dcdc芯片作为功率变换单元，并在控制逻辑中配置常态下仅热备供电通道在线跟踪负载、冷备通道静态隔离待机，当任一热备供电通道发生参数越限或故障时，控制电路随即触发微秒级无断点切换至冷备通道或另一热备供电通道，且系统整体可容忍两路电源通道同时失效；这彻底打破传统双热备架构静态功耗过高以及双冷备架构切换延时大、存在供电断点的局限，在确保星上fpga与存储芯片等敏感载荷不断电复位的同时，大幅压低电源系统静态能耗，并将供电容错能力跃升至容忍双通道失效水平，实现高可靠性、低功耗与低成本三重目标的技术统一；热备供电通道因始终维持使能状态与电压闭环调节，故而故障接管时无需重建反馈环路，直接由备用通道承接输出电流，从而消除切换盲区；冷备通道在常态下切断功率输入，仅维持控制逻辑待命，因而静态漏电流与热耗散极小。鉴于无辐照指标工业级和/或车规级器件缺乏原位空间加固，本拓扑通过多路异构冗余分摊单点失效概率，依据概率统计原理，四路通道中允许两路失效的容错机制等效于航天级冗余设计，从而在系统架构层面弥补器件等级短板，实现供电连续性与在轨寿命的双重保障。

37、本发明通过整套四路无辐照指标工业级和/或车规级dcdc芯片外部套装一体式铝合金被动屏蔽外壳，屏蔽层厚度设定为1.5mm，形成封闭金属腔体以严密包覆全部功率转换单元，以极低硬件附加成本有效衰减低轨空间常规总剂量辐照与单粒子扰动对无辐照指标工业级和/或车规级芯片晶圆的穿透与累积损伤，显著降低器件在轨早期失效概率，使通用无辐照指标工业级和/或车规级器件直接满足卫星在轨空间环境适配要求，铝合金材料具备较高电子密度与康普顿散射截面，依据现有技术推导，1.5mm厚度的金属屏蔽层可通过光电效应、电子对效应及韧致辐射过程吸收或偏转大部分低能质子与电子辐照粒子，从而阻断或削弱辐射粒子在半导体pn结中的电离能量沉积，抑制单粒子翻转与总剂量累积效应，保障芯片内部逻辑与功率管路的稳定运行。

38、本发明支持冷备通道芯片数量的灵活增减配置，并内置可重构的电源故障切换判定算法，允许根据卫星具体载荷功耗等级与在轨任务剖面动态调整热/冷备通道激活阈值与切换优先级。这赋予电源系统针对不同卫星单机任务需求的拓扑扩展性与控制适应性，避免冗余通道数量固定化导致的硬件冗余浪费或容错能力不足，进一步优化整星能效比与任务匹配度。本发明的冗余通道的数量配置直接关联系统平均无故障工作时间与静态功耗基线，通过调整冷备芯片数量可线性调节系统热设计与供电预算；同时，故障切换算法基于电压跌落率与电流偏差的实时采样比对，一旦监测到参数越限随即执行预设切换序列，柔性适配不同负载瞬态响应特性，从而在不改变基础拓扑的前提下实现控制故障冗余策略。