Electronique pour un laser pulsé embarqué sur une mission martienne

Electronique pour un laser pulsé embarqué
sur une mission martienne
J.J. Thocaven 1 ,H.C. Séran 1, A. Cros 1, S. Maurice 1, J.L. Médale 1, G. Orttner 1, Y. Parot 1,, D. Kouach 2, B. Dubois 2, M. Bouyé 2, P. Caïs 3, B. Quertier 3, M. Saccoccio 4,
B. Faure 4, E. Durand 5, E. Etter 5, C. Derycke 5 (1) CESR, (2) Observatoire Midi-Pyrénées, (3) Observatoire de Bordeaux, (4) CNES, (5) Thalès Laser
Résumé: dans le cadre de la mission martienne Mars Science laboratory, un Rover de 800 kg va être lancé par la NASA en octobre 2011. L'un des instruments à bord de MSL est Chemcam qui analysera la
composition élémentaire des roches jusqu'à 10m de distance. La technique employée est le LIBS: laser induced breakdown spectroscopy. Un laser de puissance pulsé fait une ablation de la roche qui émet un plasma
dont la lumière est analysée par un spectromètre. Nous décrivons brièvement le laser pulsé et nous présentons la carte électronique analogique qui délivre les courants et tensions pour déclencher les tirs. La spécificité
de la carte réside dans sa capacité à travailler entre -40°C et +35°C, à respecter les contraintes de derating applicable à tout circuit embarqué, à tenir les doses de radiations de la mission, et à offrir une fiabilité
renforcée de part le choix des composants et la conception du circuit
circuit.
Specifications laser
Duct
Laser crystal
Parameter
Value
Running mode
Burst (1  N*  100)
Rep rate
[5Hz, 15 Hz]
Output
Functional temp. range
[-30°C, +30°C] (performances
window
Energy
>24 mJ on [-20°C, +20°C]
>30 mJ for one temp.
< 2% rms
Stack
Pockels
cell
Output coupler
guaranteed on [-20°/+20°])
Stacks
Energy stability
Pulse length
O
r
lato
scil
< 8 ns
M2
<3
Mass
Volume
< 600 g
F < 60 mm, L< 22 cm
Schéma du laser
Vue du laser avant montage des capots (photo Thalès Laser)
(document Thalès Laser)
Capacité condensateurs tantale
Chaque stack est alimenté par un circuit dédié. Le courant de pompage est fourni par un réseau de
condensateurs tantale solide. Le choix initial s’était porté sur des condensateurs tantale gélifié en raison de leur
efficacité volumétrique (les condensateurs aluminium ont une meilleure efficacité volumétrique, mais ne sont pas
assez fiables pour les applications spatiales). Les essais en froid ont montré que les condensateurs tantale
gélifié ne permettaient pas d’atteindre les niveaux de courant attendus.
La référence retenue (470µF 10V) est très proche d’une référence largement utilisée dans le spatial. L’utilisation
de condensateurs tantale est bien encadrée suite à des défaillances observées sur des filtres d’alimentation. Les
630 condensateurs sont groupés dans des cellules de 35 (7 branches de 5 condensateurs en série). Chaque
cellule tolère 2 condensateurs en court circuit (mode de défaillance dominant).
dominant) La perte d’une
d une cellule en courtcourt
circuit entraîne la perte d’une voie d’alimentation. La défaillance en court-circuit d’un des 3 réseaux ne se
propage pas aux autres réseaux grâce à l’action d’un circuit de détection qui ouvre immédiatement le transistor
de charge du réseau. Chaque réseau de 210 condensateurs est chargé à courant constant entre chaque tir (la
fréquence de tir peut atteindre 15 Hz). La dérive en température du courant de charge est très faible.
Résistance série équivalente (ESR) condensateurs tantale
500
ESR tantale solide (milliohms)
Capacité condensateurs tantale (µF)
Description de la carte laser:
450
400
350
300
tantale solide 470µF 10V
tantale gélifié 470µF 75V
250
200
150
160
1.6
140
1.4
120
1.2
100
1
0.8
80
0.6
60
0.4
40
tantale solide 470µF 10V
tantale gélifié 470µF 75V
20
0.2
0
0
100
-55
-40
-25
-10
5
20
35
50
-55
65
ESR tantale gélifié (ohms)
Slab amplifiers
-40
-25
-10
5
20
35
50
65
Température (°C)
Température (°C)
Caractéristiques des condensateurs tantale déduites des essais de la carte laser
Carte laser
CAPACITOR
STACK
CURRENT LIMITER (0.4A)
ZJ-41003-TC
MFL2815D
U6
3x 4 turns Awg24
JANSR2N7422
1
+28V_return
2
Input
+Output
+/-15V-65W
7
1
2
8
3
4
9
5
6
JANSR2N7471T1 x3
810 g dont 390 g de
cartes condensateurs
OSCILLATOR
D30
3948uF 30V
+30v_Sec
4 uH
Com_out
LASER DRIVER
(140 A)
1N5822US
100nF/100V
+28V_primary
1R
0R01
+
204 x 103.5 x 45 mm
0R003
laser diode stack
+
220K
slave
NC
sync in
inh1
TRI
inh2
12
11
6
5
4
3
-Output
10
sync_out
10uF/35V
Com_in
T5
100nF
100nF
+/-12V 40mA
+5V 4.4mA
-5V 3mA
30 1.35A
1 35A en tir
ti
+
10uF/35V
220K
CAPACITOR
STACK
CURRENT LIMITER (0.4A)
JANSR2N7422
LASER DRIVER
(140 A)
JANSR2N7471T1 x3
1N5822US
D31
3948uF 30V
4 uH
1R
AMPLIFIER 1
0R01
+
0R003
laser diode stack
Operating range
-40°C, +35°C
Schéma de l’alimentation en courant
des 3 stacks de diodes laser
CAPACITOR
STACK
CURRENT LIMITER (0.4A)
JANSR2N7422
LASER DRIVER
(140 A)
JANSR2N7471T1 x3
1N5822US
4 uH
1R
+
Revêtement parylène
AMPLIFIER 2
D32
3948uF 30V
0R01
0R003
laser diode stack
Carte laser modèle de vol (photo CESR)
100K
+1000V
220K
+15V_FLT
POCKELS
499R
+30v
220pF
4.7nF
+15V_FLT
10
330K
Q2N2222
7 +
22MEG
9
8 -
IRHMS57160
IRHMS57160
IRHMS57160
LM158AWG
4
IRHF7430SE
Anode
22MEG
-12V
4pF
IRHF7430SE
POCKELS
CRYSTAL
1nF
51R
51R
51R
510R
510R
510R
+12V
10K
22MEG
3
100K
3k9
IRHF7430SE
1k
1MEG
1nF
1
0R01
+15V_FLT
Anode
TRIGGER (5V)
2
100K
22MEG
270R
10nF
100k
1k
LIBS laser
diode stack
IRHF7430SE
POCKELS_RTN
IRHLUB770Z4
IRHLUB7970Z4
Cathode
0R003
Vue de dessus de la boîte électronique avec la carte laser (photo CESR)
Ci
Circuit
it de
d déclenchement
dé l
h
t Pockels
P k l
AGND
Le circuit de déclenchement de la cellule de Pockels est alimenté
sous 1000V. Quatre transistors haute tension durcis aux radiations
commutent en 10ns. Les transistors sont utilisés à 50% de leur
tension maximale. La tension de déclenchement de la cellule de
Pockels est constante sur toute la gamme de température.
Vue de l’instrument Chemcam modèle de vol en vibration (photo CESR)
Circuit de pilotage en courant des stacks
Chaque driver de stack est basé sur 3 transistors MOSFETs canal N
de 45A en parallèle. Le stack est connecté à la source des MOSFETs
ce qui oblige à fournir au circuit de pilotage une alimentation flottante
découplée de la masse. Ce découplage évite les déclenchements
intempestifs provoqués par les glitchs de la partie numérique.
Courant stack (bleu) et tension Pockels (rouge)
lors d’un tir. La synchronisation est réalisée par
la carte de contrôle FPGA.
Vue de l’instrument Chemcam modèle de vol en vibration. Le laser est
capoté par le cylindre poli doré au premier plan (photo CESR)