摘要 ：隨著商業(yè)航天的快速發(fā)展，衛(wèi)星通訊系統(tǒng)對芯片的可靠性和抗輻照能力提出了越來越高的要求。特別是在商業(yè)衛(wèi)星通信接口領(lǐng)域，芯片不僅要具備高速率、高耐壓、高兼容性，還需在復(fù)雜的空間輻照環(huán)境下保持穩(wěn)定運行。近年來，國內(nèi)芯片企業(yè)通過技術(shù)創(chuàng)新和嚴(yán)格測試，在抗輻照芯片的研發(fā)與應(yīng)用方面取得了顯著成果。本文將集中探討國科安芯推出的抗輻照芯片ASM1042S2S在商業(yè)衛(wèi)星通信接口項目中的技術(shù)突破及其實際應(yīng)用價值，結(jié)合相關(guān)試驗數(shù)據(jù)和在軌表現(xiàn)進行深入分析。

一、引言

近年來，商業(yè)航天領(lǐng)域發(fā)展迅猛，衛(wèi)星通信技術(shù)逐漸向小型化、高性能化和低成本化方向演進。然而，衛(wèi)星運行環(huán)境復(fù)雜，尤其是空間輻射對電子器件的影響顯著。高能粒子如質(zhì)子、重離子等可能穿透芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)，引發(fā)單粒子效應(yīng)（包括單粒子翻轉(zhuǎn)SEU和單粒子鎖定SEL），或?qū)е吕鄯e的總劑量效應(yīng)，從而影響芯片的功能穩(wěn)定性。因此，抗輻照芯片技術(shù)成為商業(yè)衛(wèi)星通信接口設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸之一。

抗輻照芯片的研究與開發(fā)主要集中于兩個方面：一是提升芯片的抗輻照能力，包括總劑量抗輻照能力和單粒子抗輻照能力；二是優(yōu)化芯片的核心性能，如數(shù)據(jù)傳輸速率、功耗、耐壓水平等。本文聚焦于ASM1042S2S芯片的實際研發(fā)成果與應(yīng)用案例，結(jié)合背景需求、技術(shù)特點和試驗數(shù)據(jù)，探討其在商業(yè)衛(wèi)星通信接口領(lǐng)域的技術(shù)貢獻。

二、商業(yè)衛(wèi)星通信接口的抗輻照需求分析

在商業(yè)衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，通信接口作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵牟考?，直接關(guān)系到衛(wèi)星任務(wù)的成敗。由于衛(wèi)星運行于近地軌道或太陽同步軌道，其面臨的輻射環(huán)境主要包括：

高能質(zhì)子輻射 ：來源于太陽風(fēng)及地球輻射帶，能量范圍通常為幾十MeV到幾百MeV。

重離子輻射 ：來源于宇宙射線，具有較高的線性能量傳遞（LET）值。

累積總劑量效應(yīng) ：長期暴露于低劑量輻射中，可能導(dǎo)致芯片性能退化。

空間輻射可能引發(fā)以下問題：

單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU） ：高能粒子穿越芯片敏感區(qū)，引發(fā)瞬時電荷沉積，導(dǎo)致存儲單元狀態(tài)翻轉(zhuǎn)。

單粒子鎖定（SEL）： 高能粒子擊中功率器件，引發(fā)瞬時大電流，導(dǎo)致器件鎖定甚至燒毀。

總劑量效應(yīng)： 長期輻照累積引起的電學(xué)參數(shù)漂移，可能影響芯片的正常功能。

三、ASM1042S2S芯片的技術(shù)特點

1.抗輻照能力

ASM1042S2S 是一款由廈門國科安芯科技有限公司研制的抗輻照 CANFD 通信接口芯片，專為商業(yè)航天應(yīng)用場景設(shè)計。主要技術(shù)特點如下：

（1）總劑量抗輻照性能

總劑量輻照試驗采用鈷60γ射線源，對芯片進行累積劑量輻照。試驗數(shù)據(jù)顯示，ASM1042S2S在150krad(Si)的輻照劑量下功能和性能均保持正常。退火處理后，芯片未出現(xiàn)參數(shù)漂移或功能退化。這一性能表明芯片具備強大的總劑量抗輻照能力，能夠在長期太空任務(wù)中維持穩(wěn)定性。

（2）單粒子抗輻照性能

單粒子效應(yīng)試驗采用Ge離子束（LET值37.4MeV·cm2/mg，注量1×10? ion/cm2）。測試結(jié)果顯示，芯片在輻照中工作電流保持穩(wěn)定，未發(fā)生單粒子鎖定（SEL）或單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）。質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗（100MeV質(zhì)子，注量1×101?ion/cm2）進一步驗證了芯片的抗輻照能力。芯片在高能質(zhì)子輻照下功能正常，未出現(xiàn)單粒子效應(yīng)。

（3）抗輻照設(shè)計策略

芯片采用了以下抗輻照設(shè)計手段：

器件級屏蔽：優(yōu)化芯片布局，增加敏感區(qū)的屏蔽能力。

冗余設(shè)計：關(guān)鍵邏輯電路采用冗余技術(shù)，提高單粒子效應(yīng)的容錯性。

工藝優(yōu)化：基于抗輻照BCD工藝（0.15μm），提升器件的總劑量耐受能力。

2.高速率通信能力

ASM1042S2S支持高達5Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，符合ISO11898-2:2016和ISO11898-5:2007物理層標(biāo)準(zhǔn)。其高速率性能主要得益于以下設(shè)計：

對稱傳播延遲時間短（典型值110ns），確保了高速信號傳輸?shù)臅r序裕量。

支持CANFD協(xié)議，具備靈活的波特率配置能力，適應(yīng)不同速率需求。

3.低功耗與高效率

芯片的功耗優(yōu)化設(shè)計包括：

待機模式功耗低至0.1μA，顯著降低衛(wèi)星能源消耗。

正常工作模式下，顯性功耗為40mA至70mA，隱性功耗為1.5mA至2.5mA，整體功耗水平優(yōu)于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

4.高耐壓與保護特性

ASM1042S2S提供了全面的保護機制：

總線故障保護：支持±70V的總線故障保護電壓，防止過壓損壞。

欠壓保護：VCC和VIO引腳均具備欠壓保護功能，確保低電壓條件下的安全性。

顯性超時保護：在TXD引腳持續(xù)顯性狀態(tài)下，芯片會在1.2ms至3.8ms內(nèi)自動進入隱性狀態(tài)，防止網(wǎng)絡(luò)阻塞。

四、ASM1042S2S芯片的試驗驗證

1.總劑量效應(yīng)試驗

試驗采用鈷60γ射線源，輻照劑量達到150krad(Si)。測試結(jié)果顯示：

功能測試：芯片在輻照后仍能正常完成數(shù)據(jù)收發(fā)任務(wù)，通信協(xié)議無異常。

性能測試：關(guān)鍵參數(shù)（如功耗、傳輸速率、輸出電壓對稱性等）未出現(xiàn)顯著變化。

外觀檢查：芯片無物理損傷或形變。

2.重離子****單粒子效應(yīng)試驗

試驗使用重離子束（Ge離子，LET值37.4MeV·cm2/mg，注量1×10? ion/cm2），監(jiān)測芯片在輻照下的工作狀態(tài)：

工作電流：保持在8mA左右，未出現(xiàn)異常波動。

數(shù)據(jù)傳輸：發(fā)送與接收數(shù)據(jù)準(zhǔn)確匹配，未發(fā)生錯誤幀。

功能穩(wěn)定性：芯片在輻照后未出現(xiàn)單粒子鎖定或單粒子翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

3.質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗

試驗采用100MeV質(zhì)子束，注量1×101?ion/cm2。結(jié)果表明：

功能正常：芯片在輻照后仍能穩(wěn)定運行。

性能穩(wěn)定：功耗、傳輸速率等參數(shù)無顯著變化。

4.高低溫與環(huán)境適應(yīng)性測試

芯片經(jīng)歷了極端溫度環(huán)境測試（-55℃至+125℃）以及濕度、振動等多項環(huán)境試驗。測試結(jié)果表明：

在全溫度范圍內(nèi)，芯片功能正常，數(shù)據(jù)傳輸速率不受影響。

芯片在機械振動和濕度條件下未出現(xiàn)性能退化或功能異常。

五、ASM1042S2S芯片的在軌應(yīng)用表現(xiàn)

ASM1042S2S已成功應(yīng)用于多顆商業(yè)衛(wèi)星，包括地質(zhì)遙感智能小衛(wèi)星TY29（天儀29星）和光學(xué)遙感衛(wèi)星TY35（天儀35星）。衛(wèi)星于2025年5月發(fā)射，芯片在軌運行數(shù)據(jù)表明：

1.通信穩(wěn)定性

芯片在軌運行期間，通信接口表現(xiàn)出高度穩(wěn)定性：

數(shù)據(jù)傳輸速率達到5Mbps，滿足衛(wèi)星任務(wù)需求。

數(shù)據(jù)幀發(fā)送與接收準(zhǔn)確率接近100%，未出現(xiàn)丟幀或錯誤幀現(xiàn)象。

2.抗輻照能力驗證

在軌運行期間，芯片成功應(yīng)對了空間輻射環(huán)境：

未發(fā)生因單粒子效應(yīng)導(dǎo)致的功能異常。

長期運行未出現(xiàn)總劑量累積引起的性能退化。

3.功耗表現(xiàn)

芯片的低功耗設(shè)計顯著提升了衛(wèi)星能源利用效率：

待機功耗維持在微安級別，降低了能源消耗。

正常工作模式下功耗穩(wěn)定，未出現(xiàn)異常波動。

六、技術(shù)對比與分析

1.與傳統(tǒng)抗輻照芯片的對比

相比傳統(tǒng)抗輻照芯片，ASM1042S2S在以下方面表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢：

速率提升 ：傳統(tǒng)芯片速率多在1Mbps至2Mbps，而ASM1042S2S支持5Mbps，滿足高速數(shù)據(jù)傳輸需求。

功耗優(yōu)化 ：待機功耗降低至0.1μA，優(yōu)于傳統(tǒng)芯片的毫安級待機功耗。

抗輻照能力增強 ：抗總劑量能力達到150krad(Si)，單粒子效應(yīng)LET閾值超過37.4MeV·cm2/mg，顯著高于傳統(tǒng)芯片。

2.在商業(yè)衛(wèi)星通信接口中的獨特價值

ASM1042S2S的技術(shù)特點使其特別適合商業(yè)衛(wèi)星通信接口應(yīng)用：

小型化與集成優(yōu)勢 ：SOP8封裝形式便于衛(wèi)星系統(tǒng)集成，節(jié)省空間。

高性價比 ：全流程國產(chǎn)化設(shè)計降低了成本，適合商業(yè)衛(wèi)星的大規(guī)模應(yīng)用。

多功能適配性 ：支持3.3V和5V MCU接口，兼容性強，適應(yīng)不同衛(wèi)星平臺。

長壽命設(shè)計 ：抗輻照能力和低功耗特性使芯片能夠支持長達數(shù)年的衛(wèi)星任務(wù)。

七、結(jié)論

ASM1042S2S抗輻照芯片在商業(yè)衛(wèi)星通信接口項目中的應(yīng)用，體現(xiàn)了抗輻照芯片技術(shù)的重要進展。通過總劑量效應(yīng)試驗、單粒子效應(yīng)試驗和在軌運行數(shù)據(jù)驗證，芯片展示了卓越的抗輻照能力、高速率通信性能和低功耗特性。其技術(shù)突破不僅滿足了商業(yè)衛(wèi)星在復(fù)雜空間環(huán)境下的嚴(yán)苛需求，還為抗輻照芯片的未來發(fā)展提供了實踐依據(jù)。

審核編輯 黃宇