디레이팅을 고려한 한국형발사체 S-밴드 송신기 전원부 설계

Power Design of an S-Band Transmitter for KSLV-II with Derating

Abstract

본 논문에서는 한국형발사체 탑재용 S-밴드 송신기의 전원부 설계에서 소자의 신뢰성 향상을 위하여 정격 대비 부하를 경감하는 디레이팅을 고려하였다. 송신기의 전원부는 정전압 공급을 위한 선형 전압 레귤레이터, 스위칭 타입의 DC/DC 컨버터와 역전압 보호를 위한 다이오드 등으로 구성된다. 설계에 따른 각 소자의 부하 전류를 분석하여 디레이팅 요구조건을 살펴보았으며, 부하 전류에 따른 발열량과 접합 온도 상승을 고려하였다. 송신기 엔지니어링 모델 제작결과와 분석결과를 비교하였으며, 고온 수락시험 $+60^{\circ}C$ 환경에서 전원부 주요 소자의 온도는 정격 대비 $40^{\circ}C$ 이상 여유가 있으며, 디레이팅 요구조건이 충족됨을 확인하였다.

The power circuit design of an on-board S-band transmitter for KSLV-II with derating(operation of a component at less than its maximum rated specification to enhance reliability) is investigated. The power circuit of the transmitter consists of linear voltage regulators, DC/DC converters for regulating the DC supply, and diodes for reverse voltage protection. After analyzing the load current of the components, derating requirements are explored. Furthermore, power dissipation and junction temperature rise are considered with respect to the load current. The analysis is compared to the results from an engineering model of the transmitter. The temperature of the components is derated by >$40^{\circ}C$ in an environment where the ambient temperature is $+60^{\circ}C$, which is the acceptance test specification of high temperature.

그림 1. 전원부 블록다이어그램 Fig. 1. Block diagram of power supply circuit.

그림 2. ±5 V DC/DC 컨버터 회로도 Fig. 2. Circuit diagram of ±5 V DC/DC converter.

그림 3. 레귤레이터 회로도 Fig. 3. Circuit diagram of regulators.

그림 4. 전력증폭기 구성과 RF 버짓 Fig. 4. Configuration of power amplifiers and RF budget.

그림 5. S-밴드 송신기 EM Fig. 5. S-band transmitter EM.

그림 6. 고온 시험에서 온도 측정 Fig. 6. Temperature for the high temperature test.

표 1. 레귤레이터의 부하 전류 Table 1. Load current of regulators.

표 2. 레귤레이터의 입출력 전력 및 발열량 Table 2. Input power, output power, and dissipation of regulators.

표 3. 레귤레이터의 출력 전류 디레이팅 Table 3. Output current derating for regulators.

표 4. 레귤레이터의 접합 온도 상승 Table 4. Junction temperature rising of regulators.

표 5. ±5 V DC/DC 컨버터의 입출력 전력 및 발열 Table 5. Input power, output power, and dissipation of ±5 V DC/DC converter.

표 6. 전력증폭기의 DC 입력 전력 및 발열 Table 6. DC input power and dissipation of amplifiers.

표 7. +28 V DC/DC 컨버터의 입출력 전력 및 발열 Table 7. Input power, output power, and dissipation of +28 V DC/DC converter.

표 8. 역전압 보호용 다이오드의 디레이팅 Table 8. Derating of the diode for reverse voltage protection.

표 9. 송신기의 소모 전류와 전력 Table 9. Current and power of the transmitter.

표 10. 접합 온도 예측 Table 10. Estimated junction temperature.