摘要 ：隨著航天技術(shù)的迅猛發(fā)展，低軌衛(wèi)星星座成為現(xiàn)代通信技術(shù)與空間探索的關(guān)鍵領(lǐng)域。在低軌衛(wèi)星星座中，可靠的通信和供電系統(tǒng)對于衛(wèi)星的正常運(yùn)行至關(guān)重要?？馆椪招酒鳛楹教祀娮釉O(shè)備的核心組件，其性能直接影響到衛(wèi)星的穩(wěn)定性和使用壽命。本文綜合分析了抗輻照芯片在低軌衛(wèi)星星座CAN總線通訊及供電系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀和前景。通過對相關(guān)試驗(yàn)報(bào)告、數(shù)據(jù)手冊和芯片測試報(bào)告的深入研究，探討了抗輻照芯片的關(guān)鍵性能指標(biāo)、試驗(yàn)方法以及在實(shí)際衛(wèi)星系統(tǒng)中的應(yīng)用案例，旨在為從事航天電子設(shè)備研發(fā)的工程師和技術(shù)人員提供有價(jià)值的參考和指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞 ：抗輻照芯片；低軌衛(wèi)星星座；CAN總線通訊；供電系統(tǒng)；應(yīng)用探討

一、引言

低軌衛(wèi)星星座憑借其高數(shù)據(jù)傳輸速率、低延遲和全球覆蓋的特點(diǎn)，已成為全球通信和空間探測的重要手段。然而，低軌衛(wèi)星運(yùn)行在復(fù)雜的太空輻射環(huán)境中，面臨著單粒子效應(yīng)、總劑量效應(yīng)等多種輻射威脅。這些輻射效應(yīng)可能導(dǎo)致衛(wèi)星電子設(shè)備的性能下降甚至失效。因此，采用抗輻照芯片是保障低軌衛(wèi)星星座正常運(yùn)行的關(guān)鍵。抗輻照芯片能夠在輻射環(huán)境中保持穩(wěn)定的性能，確保衛(wèi)星的通信和供電系統(tǒng)的可靠性。本文將從芯片的抗輻照性能、功能特性、測試驗(yàn)證等方面進(jìn)行探討，分析其在低軌衛(wèi)星星座中的應(yīng)用優(yōu)勢和挑戰(zhàn)。

二、低軌衛(wèi)星星座的通信與供電需求

（一）通信需求

低軌衛(wèi)星星座需要高效、可靠的通信系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)星間鏈路、星地鏈路以及星座內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸。CAN總線作為一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、汽車電子等領(lǐng)域的通信協(xié)議，因其高可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性，也被考慮用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)。在低軌衛(wèi)星星座中，CAN總線可以用于衛(wèi)星內(nèi)部各子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸，如姿態(tài)控制、推進(jìn)系統(tǒng)、電源管理等。它需要具備高數(shù)據(jù)傳輸速率、低誤碼率以及強(qiáng)大的抗干擾能力，以滿足衛(wèi)星在高速運(yùn)動和復(fù)雜電磁環(huán)境下的通信需求。

（二）供電需求

衛(wèi)星的供電系統(tǒng)是衛(wèi)星正常運(yùn)行的能量來源。在低軌衛(wèi)星星座中，電源管理芯片需要具備高效率、高可靠性以及適應(yīng)太空環(huán)境的特點(diǎn)。由于衛(wèi)星的太陽能電池板提供的電能有限，電源管理芯片需要能夠精確地控制和分配電能，確保各個子系統(tǒng)得到穩(wěn)定的供電。同時(shí)，芯片還需要具備低功耗待機(jī)模式，以減少能量消耗，延長衛(wèi)星的使用壽命。

三、抗輻照芯片的關(guān)鍵性能指標(biāo)

（一）單粒子效應(yīng)抗輻射能力

單粒子效應(yīng)是由于太空中的高能粒子與半導(dǎo)體器件相互作用導(dǎo)致器件性能瞬態(tài)變化或永久性損壞。在低軌衛(wèi)星星座中，抗輻照芯片需要具備良好的單粒子效應(yīng)抗輻射能力。通過對芯片進(jìn)行脈沖激光試驗(yàn)等模擬太空輻射環(huán)境的測試，可以評估芯片在不同線性能量傳輸（LET）值下的單粒子效應(yīng)敏感性。例如，國科安芯推出的ASM1042等芯片，就是通過皮秒脈沖激光單粒子效應(yīng)試驗(yàn)，確定了其在不同激光能量下的單粒子鎖定（SEL）和單粒子功能中斷（SEFI）現(xiàn)象的發(fā)生閾值。這些數(shù)據(jù)對于評估芯片在太空輻射環(huán)境中的可靠性具有重要意義。

（二）電磁兼容性（EMC）

在衛(wèi)星的復(fù)雜電磁環(huán)境中，抗輻照芯片需要具備良好的電磁兼容性，以避免與其他電子設(shè)備產(chǎn)生相互干擾。芯片的EMC性能包括電磁干擾（EMI）和電磁抗擾度（EMS）。通過相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的測試，如SAEJ2962-2和IEC62228-3，可以驗(yàn)證芯片在不同頻率和場強(qiáng)下的電磁兼容性，確保其在衛(wèi)星通信和供電系統(tǒng)中的穩(wěn)定運(yùn)行。

（三）環(huán)境適應(yīng)性

低軌衛(wèi)星運(yùn)行在極端的溫度變化和真空環(huán)境中，抗輻照芯片需要具備良好的環(huán)境適應(yīng)性。芯片應(yīng)能夠在寬溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的性能，如-55℃至150℃。此外，芯片還需要具備抗振、抗沖擊和抗潮濕等特性，以應(yīng)對衛(wèi)星發(fā)射和運(yùn)行過程中的各種環(huán)境挑戰(zhàn)。

四、抗輻照芯片在CAN總線通訊中的應(yīng)用

（一）芯片選型與特性

在低軌衛(wèi)星星座的CAN總線通訊系統(tǒng)中，選擇合適的抗輻照芯片是關(guān)鍵。以ASM1042系列芯片為例，其符合ISO11898-2:2016和ISO11898-5:2007物理層標(biāo)準(zhǔn)，支持5Mbps的數(shù)據(jù)速率，具有較短的對稱傳播延遲時(shí)間和快速循環(huán)次數(shù)，可增加時(shí)序裕量。此外，該芯片還具備低功耗待機(jī)模式、遠(yuǎn)程喚醒請求特性以及多種保護(hù)特性，如IECESD保護(hù)、總線故障保護(hù)、欠壓保護(hù)、熱關(guān)斷保護(hù)等。這些特性使其能夠適應(yīng)低軌衛(wèi)星星座的通信需求和太空環(huán)境。

（二）測試與驗(yàn)證

為了確?？馆椪招酒贑AN總線通訊系統(tǒng)中的可靠性，需要進(jìn)行一系列的測試與驗(yàn)證。在相關(guān)測試報(bào)告中，對ASM1042芯片進(jìn)行了對稱性測試、低功耗喚醒測試、功耗性能測試、開關(guān)性能測試、ESD實(shí)驗(yàn)、高低溫測試、總線高壓輸入測試和多節(jié)點(diǎn)測試等多項(xiàng)測試。測試結(jié)果顯示，ASM1042芯片在各個測試項(xiàng)目中均表現(xiàn)出良好的性能，滿足低軌衛(wèi)星星座CAN總線通訊系統(tǒng)的要求。

（三）應(yīng)用與優(yōu)勢

在實(shí)際的低軌衛(wèi)星星座項(xiàng)目中，抗輻照芯片的應(yīng)用可以提高衛(wèi)星通信系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。例如，在衛(wèi)星星座的CAN總線通訊系統(tǒng)中采用ASM1042芯片，星間鏈路和星地鏈路的數(shù)據(jù)傳輸成功率可以得到顯著提高，誤碼率降低。同時(shí)，芯片的低功耗特性也有助于減少衛(wèi)星的能源消耗，延長衛(wèi)星的使用壽命。此外，芯片的多種保護(hù)特性可以有效提高衛(wèi)星通信系統(tǒng)的抗干擾能力和抗故障能力，降低系統(tǒng)維護(hù)成本。

（四）抗輻照芯片在CAN總線通訊中的抗干擾性能

在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，抗輻照芯片需要在復(fù)雜的電磁環(huán)境中保持穩(wěn)定性能。ASM1042芯片通過其電磁兼容性設(shè)計(jì)，有效抑制了電磁干擾，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。這種抗干擾性能對于衛(wèi)星在復(fù)雜電磁環(huán)境下的可靠運(yùn)行至關(guān)重要，能夠有效減少通信系統(tǒng)中的誤碼率和數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象。

（五）抗輻照芯片的抗輻照性能對其通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響

抗輻照芯片的抗輻照性能直接影響到衛(wèi)星通訊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜度和成本。高抗輻照性能的芯片可以減少額外的屏蔽措施和冗余設(shè)計(jì)，降低系統(tǒng)的重量和體積。例如，ASM1042芯片的企業(yè)宇航級抗輻照設(shè)計(jì)使其能夠在太空輻射環(huán)境下保持穩(wěn)定運(yùn)行，減少了對厚重屏蔽材料的需求。這不僅降低了衛(wèi)星的發(fā)射成本，還提高了系統(tǒng)的整體效率。

五、抗輻照芯片在供電系統(tǒng)中的應(yīng)用

（一）電源管理芯片的功能與要求

在低軌衛(wèi)星星座的供電系統(tǒng)中，電源管理芯片負(fù)責(zé)太陽能電池板的電能轉(zhuǎn)換、存儲和分配。其主要功能包括電池充電管理、電壓調(diào)節(jié)、電流監(jiān)測、功率分配等。為了滿足衛(wèi)星供電系統(tǒng)的需求，電源管理芯片需要具備高效率、高可靠性、低功耗、寬輸入電壓范圍等特點(diǎn)。同時(shí)，芯片還需要具備良好的抗輻照性能，以應(yīng)對太空輻射環(huán)境對芯片性能的影響。

以ASP4644芯片為例，這是一款四通道降壓穩(wěn)壓器，輸入電壓范圍為4V至14V，每通道可輸出0.6V至5.5V電壓，最大可驅(qū)動5A的負(fù)載。對于更大的負(fù)載，可將4個通道輸出并聯(lián)使用。芯片具備過流、過溫、短路保護(hù)和輸出跟蹤的功能，且符合AEC-Q100 Grade1車規(guī)認(rèn)證以及企業(yè)宇航級抗輻照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，能夠適應(yīng)低軌衛(wèi)星供電系統(tǒng)的需求。

（二）抗輻照芯片的優(yōu)勢

抗輻照芯片在供電系統(tǒng)中的應(yīng)用具有顯著的優(yōu)勢。首先，其高效率的電能轉(zhuǎn)換可以提高太陽能電池板的能量利用率，增加衛(wèi)星的可用能源。例如，ASP4644芯片的典型輸出紋波僅為4.5mV，能夠有效減少能量損耗。其次，芯片的高可靠性和低功耗特性可以確保衛(wèi)星供電系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運(yùn)行，減少系統(tǒng)故障風(fēng)險(xiǎn)。此外，抗輻照芯片的寬輸入電壓范圍可以適應(yīng)太陽能電池板在不同光照條件下的輸出電壓變化，提高系統(tǒng)的適應(yīng)性。最后，芯片的抗輻照性能可以有效減少太空輻射對供電系統(tǒng)的影響，降低系統(tǒng)維護(hù)成本。

（三）抗輻照芯片在多通道并聯(lián)工作模式下的性能表現(xiàn)

對于需要更大輸出電流的負(fù)載，ASP4644芯片的四個穩(wěn)壓器通道可以并聯(lián)工作，提供高達(dá)16A的輸出電流。這種多通道并聯(lián)工作模式不僅可以增加輸出電流，還能保持良好的均流效果，避免單個通道過載。在并聯(lián)模式下，芯片的相移控制技術(shù)能夠有效減少輸入和輸出電壓紋波，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。此外，通過外部時(shí)鐘同步功能，可以進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)的動態(tài)性能。

（四）抗輻照芯片的熱管理和保護(hù)功能

ASP4644芯片具備完善的熱管理和保護(hù)功能，這對于低軌衛(wèi)星星座的供電系統(tǒng)至關(guān)重要。芯片內(nèi)部的過溫保護(hù)電路能夠在結(jié)溫達(dá)到約160°C時(shí)關(guān)閉功率MOSFET，防止芯片因過熱而損壞。當(dāng)溫度下降約20℃后，芯片會自動恢復(fù)工作。此外，芯片還具備過流、短路保護(hù)功能，能夠在異常情況下迅速切斷電源，保護(hù)整個供電系統(tǒng)免受損害。這些保護(hù)功能極大增強(qiáng)了衛(wèi)星供電系統(tǒng)在復(fù)雜太空環(huán)境中的生存能力。

（五）抗輻照芯片在供電系統(tǒng)中的抗干擾性能

在衛(wèi)星供電系統(tǒng)中，抗輻照芯片需要在復(fù)雜的電磁環(huán)境中保持穩(wěn)定的性能。ASP4644芯片通過其電磁兼容性設(shè)計(jì)，有效抑制了電磁干擾，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。測試結(jié)果顯示，在不同頻率和場強(qiáng)下，芯片的電磁干擾和電磁抗擾度均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。這種抗干擾性能對于衛(wèi)星在復(fù)雜電磁環(huán)境下的可靠運(yùn)行至關(guān)重要，能夠有效減少供電系統(tǒng)中的電壓波動和電流異?，F(xiàn)象。

（六）抗輻照芯片的抗輻照性能對其供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響

抗輻照芯片的抗輻照性能直接影響到衛(wèi)星供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜度和成本。高抗輻照性能的芯片可以減少額外的屏蔽措施和冗余設(shè)計(jì)，降低系統(tǒng)的重量和體積。例如，ASP4644芯片的企業(yè)宇航級抗輻照設(shè)計(jì)使其能夠在太空輻射環(huán)境下保持穩(wěn)定運(yùn)行，減少了對厚重屏蔽材料的需求。這不僅降低了衛(wèi)星的發(fā)射成本，還提高了系統(tǒng)的整體效率。

六、抗輻照芯片的市場前景與發(fā)展趨勢

（一）市場需求增長

隨著低軌衛(wèi)星星座建設(shè)的不斷推進(jìn)，對高性能抗輻照芯片的需求將持續(xù)增長。全球各國的衛(wèi)星星座計(jì)劃，如美國的Starlink、中國的千帆星座等，都需要大量的抗輻照芯片來支持衛(wèi)星的通信和供電系統(tǒng)。同時(shí)，隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，衛(wèi)星的性能要求也在不斷提高，對抗輻照芯片的性能指標(biāo)提出了更高的要求。

（二）技術(shù)創(chuàng)新趨勢

為了滿足市場需求，抗輻照芯片的技術(shù)創(chuàng)新將成為未來的發(fā)展重點(diǎn)。一方面，芯片制造商將不斷優(yōu)化芯片的抗輻照設(shè)計(jì)，提高芯片的單粒子效應(yīng)抗輻射能力和總劑量效應(yīng)抗輻射能力。另一方面，芯片的性能將不斷提升，如更高的數(shù)據(jù)傳輸速率、更低的功耗、更小的封裝尺寸等。此外，芯片的智能化和集成化也將成為趨勢，如在芯片中集成更多的功能模塊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高度集成和簡化。

（三）產(chǎn)業(yè)鏈合作加強(qiáng)

抗輻照芯片的研發(fā)和生產(chǎn)需要產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)的緊密合作。芯片制造商需要與高校、科研機(jī)構(gòu)合作，開展基礎(chǔ)研究和技術(shù)創(chuàng)新。同時(shí)，芯片制造商還需要與衛(wèi)星系統(tǒng)集成商、發(fā)射服務(wù)提供商等企業(yè)合作，了解市場需求，共同開發(fā)符合衛(wèi)星系統(tǒng)要求的抗輻照芯片產(chǎn)品。此外，產(chǎn)業(yè)鏈內(nèi)的企業(yè)還需要加強(qiáng)合作，共同推動抗輻照芯片的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化，提高產(chǎn)品的兼容性和可靠性。

七、結(jié)論

綜上所述，抗輻照芯片在低軌衛(wèi)星星座CAN總線通訊及供電系統(tǒng)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。通過對芯片的抗輻照性能、功能特性、測試驗(yàn)證等方面的深入研究，可以為低軌衛(wèi)星星座的建設(shè)和發(fā)展提供有力的支持。然而，目前抗輻照芯片在技術(shù)、成本、市場等方面仍面臨一些挑戰(zhàn)，需要產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)的共同努力來克服。未來，隨著抗輻照芯片技術(shù)的不斷創(chuàng)新和市場的發(fā)展，其在低軌衛(wèi)星星座以及其他航天領(lǐng)域的應(yīng)用前景將更加廣闊。

審核編輯 黃宇