Det här är en milstolpe för oss. Vi ska utveckla en förbättrad spänningsomvandlare som kommer att bli ESA-harmoniserad. Det betyder att vi blir prefered supplier genom ESA i Europa, säger Ulf Sundström, försäljnings- och marknadschef på ÅAC Microtec.

En del i detta är också den kvalificering av produktionslinan som just nu pågår hos ÅAC. Inom kort är den klar och då kan företaget garantera kvalitet enligt ESA:s önskemål.

– En EU-strategi på hög nivå är att försöka bygga bort sig från ITAR, då det innebär krångel med licenser så fort något ska exporteras. Det är en orsak till att ESA investerar mycket i att europeiska företag tar fram komponenter, säger Ulf Sundström.

ITAR, kort för The International Traffic in Arms Regulations, är en amerikanska lag som styr tillverkning, försäljning och export av militära produkter samt produkter som kan tänkas användas i militära tillämpningar.

För svenska ÅAC innebär EU:s strategi att företaget fått i uppdrag att utveckla en miniatyriserad så kallad POL-omvandlare, point-of-load, inom ESA:s Artes-program som är inriktat mot telekomsatelliter. Att lotten föll på ÅAC har en enkel orsak. Företaget är ensamt i Europa att klara uppdraget när ribban läggs på telekomkrav. Konstruktionen måste nämligen vara extremt robust och utan problem klara att exponeras för olika strålningsfenomen – gräsen är satt till 50 kRad – i sitt geostationära läge 36 000 km ute i rymden.

– Omvandlaren som vi utvecklar har ingen extrem elektrisk prestanda. Det speciella är strålningstoleransen och vår byggsättsteknik. Den kan komma att sitta i kritiska system på en stor telekomsatellit och då är det viktigt att inget fallerar, säger Johan Bäckström, sälj- och marknadsansvarig på ÅAC.

ESA-projektet – som drog igång före sommaren – kan ses som en fortsättning på ett projekt där ÅAC utvecklat en miniatyriserad POL-omvandlare på uppdrag av Rymdstyrelsen. Det nya projektet bygger på lärdomar från det svenska, även om kraven där var betydligt lägre med siktet inställt mot experimentsatelliter i låg jordbana cirka 700 km över jordytan.

– Spolen i omvandlaren har vi utvecklat och patentsökt. Det är en del som vi nu ska förbättra, säger Henrik Löfgren, elektronikkonstruktör på ÅAC.

ÅAC Microtecs egna patentsökta spolkonstruktion.

Spollösningen är ett byggtekniskt genidrag. Man har fräst ut cirkelformade spår i en ferrit, sen sputtrat och pläterat för att få in koppar i spåren. Det finns ingen risk att något rör sig, samtidigt leds värmen genom ferriten ner i substratet. Hittills har man tagit fram en spole som klarar 25 A och en som klarar 5 A. I ESA-projektet är dock maxnivån satt till 3,5 A.

– Vi har redan gjort en mer avancerad simulering av spolen för att se hur vi kan förbättra den genom exempelvis olika varvantal och storlek på luftgap. Vi vill också visa på miljötåligheten i konstruktionen, säger Henrik Löfgren.

En erfarenhet från det första projektet är att spolen bör flyttas in i samma kapsel som omvandlaren för att höja effektiviteten. I projektet mot Rymdstyrelsen var verkningsgraden 85 procent. I ESA-projektet ligger ribban på 88 procent inklusive förluster i skydden, men Uppsalagänget vill nå högre.

Ytterligare en orsak till den blygsamma verkningsgraden är aktiva skyddskretsar samt en strömbegränsare på ingången som skyddar mot tunga joner. På utgången sitter ett överspänningsskydd som även det skyddar mot exempelvis tunga joner. Utan dessa förlustskapande byggblock är det en väldigt klassisk buck-design.

En tredje anledning till att verkningsgraden inte är så vass är att bygget görs med diskreta komponenter, som MOSFET:ar och analog styrlogik. Förlusten hos drivelektroniken blir alltid högre än då skräddarsydd asicar används.

– Därför är vår hybridteknik speciellt intressant. Volymerna är för små för asic, men man vill ha ner storlek och vikt, säger Johan Bäckström.

ESA-omvandlarens preliminära specifikationer Utström: max 3,5 A Inspänningsområde: 4,75–6,25V Utspänningsområde: 1,25–3,5 V Switchfrekvens: 360 kHz ± 40 kHz Mått: 52x27x4,5 mm

Tittar man på konstruktionen i det Rymstyrelsefinansierade projektet så består den av två keramiska substrat staplade på varandra. I det undre substratet ligger fyra MOSFET:ar nedsänkta i kaviteter. Nedsänkningarna skapas genom att ÅAC skär ut hål i fyra av åtta lager som substratet är uppbyggt av. På så sätt kan man höjdmässigt integrera transistorerna för att sedan placera ytterligare ett substrat ovanpå som förbinds med icke-kollapsande BGA-kulor som även kan används vid flip-chip-montering av nakna chip.

I nuläget handlar ESA-projektet mycket om komponentval. Enbart rymdkvalificerade komponenter accepteras och testas, och nya spolkonstruktioner tillverkas.

– Hittills har vi tagit fram två konceptdesigner. Den ena använder mer diskreta komponenter, som op-ampar och komparatorer. Den andra bygger på att vi exempelvis köper kompletta PWM-chip. Idag vet vi inte vilken lösning det blir, men ju mer IC-kretsar vi kan använda desto mindre design, säger Henrik Löfgren.

Problemet med den mer integrerade lösningen är att det kan vara svårare att påvisa att exempelvis ett PWM-chip klarar sig under alla omständigheter samtidigt som kretsen måste klara ESA:s specifikationer.

En intressant detalj i ESA-projekt är dessutom att kravspecen inte är spikad när ett projekt startar. Istället är det en iterativ process som drar igång vid projektstart. I månadsskiftet oktober-november väntas kravspecen vara klar och då ska en första labbruska byggas.

Till jul är planen att en första prototyp ska vara klar, en prototyp på keramiskt substrat är steget därefter. Till sommaren ska ytterligare en prototyp på keramiskt substrat finnas framme, förhoppningsvis väldigt lik den första men utan testpunkter.

– Sen blir det omfattande testning och kvalificering, säger Henrik Löfgren.