Reliability enhanced electrical power system for nanosatellites

Abstract

A baixa confiabilidade dos subsistemas elétricos de potência (EPS) é um dos principais fatores responsáveis pelo alto número de falhas em missões de nanossatélites. Embora diversas técnicas de melhoria de confiabilidade tenham sido propostas no passado, a maior parte destes estudos não considera sua aplicabilidade, ignorando o custo, a energia e a área da placa requerida para que estas técnicas sejam implementadas. Em vista disto, o presente trabalho propõe uma arquitetura de EPS que incorpora quatro técnicas de melhoria de confiabilidade em um projeto de baixo custo e tamanho reduzido, a saber: seleção metódica de componentes de prateleira, projeto sem processador, redundância passiva parcial, e monitoramento e controle de cargas. Cada uma destas técnicas foi cuidadosamente selecionada para aprimorar a confiabilidade do EPS sem que outras áreas do projeto fossem comprometidas. Para melhor assegurar a viabilidade da arquitetura, três estratégias de projeto para redução de consumo energia foram também colocadas em prática. A mais importante delas é o uso de conversores de carga customizados, de alta eficiência e baseados em transistores de nitreto de gálio (GaN). Além disto, a arquitetura utiliza majoritariamente componentes de baixo consumo de energia e disponibiliza suporte para modos de operação de baixa dissipação, o que pode reduzir significativamente o desperdício de energia durante períodos de eclipse ou de inatividade. Toda a proposta foi fundamentada por diagramas de blocos, análises teóricas, equações de projeto e pelo esquema elétrico da placa de circuito impresso (PCB). A eficiência dos conversores de ponto de carga, o mecanismo de ativação das redundâncias passivas e todas as outras principais funcionalidades do EPS foram verificadas e validadas através de simulações de circuito SPICE. Ademais, um sistema de três métricas para avaliar e comparar a confiabilidade de arquiteturas de EPS também foi proposto. Baseado neste modelo de avaliação, foi possível comparar a arquitetura aqui apresentada, com aquela utilizada na versão anterior da mesma plataforma e com a NanoPower P31U, que é projetada pela GomSpace. Resultados comparativos confirmaram a efetividade das técnicas que foram incorporadas ao EPS, indicando que ele apresenta a arquitetura mais confiável dentre as três que foram consideradas para esta análise.

Abstract: The low reliability of the Electrical Power Systems (EPS) is one of the major factors responsible for the high number of nanosatellite mission failures. Although several reliability-enhancing techniques have been proposed in the past, most studies do not take into account their applicability, overlooking the cost, power, and board area required for them to be implemented. In light of this, the present work proposes an EPS architecture that incorporates four reliability-enhancing techniques into a low-cost, small-footprint design. Namely, methodical COTS selection, processor-less design, partial standby redundancy, and load monitoring and control. Each technique was thoughtfully chosen to enhance the EPS reliability without compromising other design areas. To further ensure the viability of the architecture, three power reduction design strategies were also put in place. The most important of which was the use of customized high-efficiency GaN-based point-of-load (PoL) converters. In addition, the architecture features mostly low-power components and provides support for low-power modes of operation, which can greatly reduce the power wasted during an eclipse or an idle period. The entire proposal was backed up by block diagrams, theoretical analysis, design equations, and a printed circuit board (PCB) schematic design. The efficiency of the PoL converters, the standby redundancy activation mechanism, and all other main EPS functionalities, were verified and validated through SPICE circuit simulations. Furthermore, this work also proposes a three-metric system for evaluating and comparing the reliability of different EPS architectures. Based on this evaluation method, it was possible to compare the EPS architecture presented herein with its previous version and with the NanoPower P31U, which is designed by GomSpace. Comparison results confirmed the effectiveness of the techniques that were incorporated into this EPS, indicating that it exhibits the highest architecture reliability among the three candidates that were considered for this analysis.