摘要

核環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)保障核設(shè)施安全、保護(hù)環(huán)境與人員健康意義重大，需在復(fù)雜惡劣的核環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行。電子設(shè)備易受核輻射影響產(chǎn)生單粒子效應(yīng)等故障，選用具備抗輻照能力的DCDC與MCU芯片至關(guān)重要。本文結(jié)合實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)，深入探討抗輻照DCDC與MCU芯片在核環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備中的集成應(yīng)用，旨在為相關(guān)領(lǐng)域科研人員提供參考，以提升核環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備的可靠性與穩(wěn)定性。

一、引言

核能作為清潔能源，在全球能源結(jié)構(gòu)中的地位逐漸上升。核環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)保障核設(shè)施安全、保護(hù)環(huán)境與人員健康意義重大。它需實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)放射性物質(zhì)泄漏與擴(kuò)散，但核環(huán)境復(fù)雜惡劣，電子設(shè)備面臨單粒子效應(yīng)等挑戰(zhàn)。高能粒子可能穿透芯片引發(fā)故障，導(dǎo)致系統(tǒng)誤操作或癱瘓。因此，選用具備抗輻照能力的芯片成為關(guān)鍵。本文以國(guó)科安芯推出的抗輻照DCDC芯片ASP3605S和ASP4644S，MCU芯片AS32S601為例，深入探討其集成應(yīng)用。

二、核環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備面臨的挑戰(zhàn)

核環(huán)境具有復(fù)雜性和惡劣性，對(duì)電子設(shè)備提出諸多挑戰(zhàn)。除高能粒子輻射外，還常伴高溫、高壓、腐蝕性氣體等，加劇電子設(shè)備的可靠性問(wèn)題。電子設(shè)備在此環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，部件易老化、性能易退化，增加故障風(fēng)險(xiǎn)。例如，高溫使芯片內(nèi)部電路膨脹，導(dǎo)致接觸不良、短路等問(wèn)題。此外，核環(huán)境的特殊性要求監(jiān)測(cè)設(shè)備具備高可靠性與穩(wěn)定性。設(shè)備一旦故障，可能導(dǎo)致放射性物質(zhì)泄漏監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確或中斷，影響核設(shè)施安全運(yùn)行，甚至引發(fā)嚴(yán)重事故。因此，選用具備抗輻照能力且可靠性高的DCDC與MCU芯片，對(duì)于提升核環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備性能和穩(wěn)定性具有重要意義。

三、抗輻照DCDC與MCU芯片在核環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備中的應(yīng)用

（一）核環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)DCDC與MCU芯片的需求

核環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備需要具備高抗輻照性能的DCDC與MCU芯片，以確保在核輻射環(huán)境下的穩(wěn)定運(yùn)行。DCDC芯片為整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源支持，而MCU芯片則負(fù)責(zé)控制和管理監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行。具體來(lái)說(shuō)，核環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)DCDC芯片的需求包括能夠提供穩(wěn)定的輸出電壓、具備高效的能量轉(zhuǎn)換效率、具有抗輻照能力等。對(duì)于MCU芯片，核環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備需要其具備高性能的處理能力、豐富的接口資源以及強(qiáng)大的抗輻照性能，以滿足數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)和傳輸?shù)男枨蟆?/p>

（二）DCDC與MCU芯片在核環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備中的作用機(jī)制

DCDC芯片在核環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備中主要負(fù)責(zé)將外部輸入的電源轉(zhuǎn)換為適合監(jiān)測(cè)設(shè)備內(nèi)部各個(gè)模塊工作的電壓和電流。其抗輻照性能保證了在核輻射環(huán)境下，電源系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地為監(jiān)測(cè)設(shè)備提供所需的能量，避免因電源波動(dòng)或失效導(dǎo)致整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無(wú)法正常工作。MCU芯片則是核環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備的核心控制單元，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和管理各個(gè)監(jiān)測(cè)模塊的運(yùn)行，包括數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)和傳輸?shù)取Ｆ淇馆椪漳芰Υ_保在核輻射環(huán)境下，MCU能夠準(zhǔn)確地執(zhí)行指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理和分析，及時(shí)發(fā)出警報(bào)和采取相應(yīng)的措施。例如，當(dāng)傳感器檢測(cè)到核環(huán)境中的輻射劑量超標(biāo)時(shí)，MCU能夠迅速處理數(shù)據(jù)并控制相關(guān)執(zhí)行器發(fā)出警報(bào)，同時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控中心進(jìn)行進(jìn)一步分析和處理。

（三）基于抗輻照DCDC芯片的電源管理方案

在核環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備中，采用抗輻照DCDC芯片的電源管理方案能夠有效提高電源系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。以國(guó)科安芯的ASP3605S和ASP4644S為例，這兩款芯片具備高效能轉(zhuǎn)換、寬輸入電壓范圍以及抗輻照性能。ASP3605S效率高達(dá)94%，ASP4644S每通道可驅(qū)動(dòng)4A負(fù)載，四通道并聯(lián)可達(dá)16A，滿足設(shè)備對(duì)電源功率的需求。在設(shè)計(jì)電源管理系統(tǒng)時(shí)，可根據(jù)設(shè)備的實(shí)際需求靈活選擇單個(gè)或多個(gè)DCDC芯片的組合方式，實(shí)現(xiàn)均流和高效供電。例如，在多傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，可使用多個(gè)DCDC芯片分別為不同的傳感器模塊供電，確保每個(gè)模塊都能獲得穩(wěn)定的電源支持。同時(shí)，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)電路布局和布線，可以降低電源系統(tǒng)受到的電磁干擾和輻射影響，進(jìn)一步提高電源管理系統(tǒng)的可靠性。

（四）基于抗輻照MCU芯片的數(shù)據(jù)采集與處理方案

抗輻照MCU芯片在核環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備中承擔(dān)著數(shù)據(jù)采集與處理的重要任務(wù)。以國(guó)科安芯的AS32S601為例，這款32位RISC-V指令集MCU具備高性能內(nèi)核、豐富的接口資源以及抗輻照設(shè)計(jì)。其自研E7內(nèi)核主頻高達(dá)180MHz，內(nèi)置16KiB數(shù)據(jù)緩存和16KiB指令緩存，運(yùn)算性能卓越。在核環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備中，MCU可通過(guò)其豐富的接口資源與各種傳感器進(jìn)行通信，采集核環(huán)境中的輻射劑量、溫度、濕度等數(shù)據(jù)。然后利用其強(qiáng)大的處理能力對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和分析，如數(shù)據(jù)的濾波、校準(zhǔn)、特征提取等。同時(shí)，MCU還可將處理后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在內(nèi)部存儲(chǔ)器中，或者通過(guò)通信接口傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控中心。此外，MCU還可以對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警，當(dāng)檢測(cè)到異常情況時(shí)，及時(shí)發(fā)出警報(bào)并采取相應(yīng)的措施。

四、抗輻照技術(shù)在DCDC與MCU芯片中的應(yīng)用分析

（一）DCDC芯片的抗輻照技術(shù)

電路設(shè)計(jì)加固 ：采用冗余設(shè)計(jì)，如多路備份的控制電路和功率器件，當(dāng)一路受到輻照損壞時(shí)，其他路可繼續(xù)工作，確保電源穩(wěn)定輸出。優(yōu)化電路布局，增大關(guān)鍵器件間距，減少高能粒子同時(shí)擊中多個(gè)敏感器件的概率。

半導(dǎo)體材料選擇 ：使用寬禁帶半導(dǎo)體材料，如碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等，其具有更寬的能隙，對(duì)輻射不敏感，能有效提高芯片抗輻照能力。在芯片制造過(guò)程中，采用抗輻照工藝，如離子注入等，增強(qiáng)晶圓的抗輻照性能。

（二）MCU芯片的抗輻照技術(shù)

冗余與容錯(cuò)設(shè)計(jì) ：采用三模冗余（TMR）技術(shù)，將三個(gè)相同的電路模塊并聯(lián)，通過(guò)多數(shù)表決電路決定最終輸出，屏蔽單粒子引起的錯(cuò)誤。對(duì)關(guān)鍵數(shù)據(jù)和程序采用雙份或多份備份存儲(chǔ)，當(dāng)一份被輻照損壞時(shí)，可切換到備份。

抗輻照設(shè)計(jì) ：采用抗輻照的電路結(jié)構(gòu)和版圖設(shè)計(jì)，如增加保護(hù)環(huán)、優(yōu)化晶體管尺寸和布局等，降低高能粒子對(duì)敏感區(qū)域的影響。在芯片內(nèi)部集成抗輻照的保護(hù)電路，如瞬態(tài)電壓抑制器等，及時(shí)吸收和耗散輻射引起的瞬態(tài)過(guò)電壓，保護(hù)芯片不受損壞。

五、性能測(cè)試與評(píng)估

（一）DCDC芯片測(cè)試

對(duì)ASP3605S和ASP4644S進(jìn)行全面測(cè)試，包括電源紋波、效率、負(fù)載調(diào)整率、線性調(diào)整率、輸出動(dòng)態(tài)負(fù)載響應(yīng)、靜態(tài)電流、關(guān)斷電流、啟動(dòng)時(shí)序、保護(hù)功能等。測(cè)試結(jié)果顯示，兩款芯片在不同負(fù)載和輸入電壓條件下，均能保持低紋波、高效率和快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)。以ASP3605S為例，其在5V輸入、1.2V輸出、2A負(fù)載下的紋波僅為13mV，效率高達(dá)94%。保護(hù)功能測(cè)試中，芯片在輸出短路、過(guò)流、過(guò)壓等異常情況下，能迅速觸發(fā)保護(hù)機(jī)制，確保設(shè)備安全。

（二）MCU芯片測(cè)試

AS32S601的測(cè)試重點(diǎn)關(guān)注其抗單粒子效應(yīng)能力。采用脈沖激光模擬重離子輻照，掃描芯片表面，監(jiān)測(cè)其工作狀態(tài)。結(jié)果顯示，在5V工作條件下，芯片在激光能量提升至1585pJ（對(duì)應(yīng)LET值為（75±16.25）MeV?cm2/mg）時(shí)，僅出現(xiàn)單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）現(xiàn)象，未發(fā)生單粒子鎖定（SEL），表明其具備良好的抗輻照性能。此外，對(duì)MCU的功能、時(shí)序、功耗等進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果均符合設(shè)計(jì)要求。

六、抗輻照DCDC與MCU芯片在核環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備中的集成應(yīng)用分析

（一）核環(huán)境監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中的應(yīng)用

在核環(huán)境監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中，采用多種抗輻照DCDC與MCU芯片，如ASP3605S、ASP4644S和AS32S601等。在硬件設(shè)計(jì)方面，DCDC芯片為MCU及其他外設(shè)提供了穩(wěn)定的電源。根據(jù)設(shè)備需求，設(shè)計(jì)了多相電源系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)均流和高效供電。MCU通過(guò)通信接口與傳感器、執(zhí)行器及DCDC芯片相連，合理布局線路，使用濾波、屏蔽等措施，降低噪聲干擾，確保信號(hào)傳輸可靠。在軟件設(shè)計(jì)方面，MCU上電后，初始化各模塊，配置DCDC芯片的輸出電壓、頻率等參數(shù)，建立通信連接。通過(guò)傳感器采集核環(huán)境數(shù)據(jù)，如輻射劑量、溫度、濕度等，經(jīng)處理分析后存儲(chǔ)或傳輸。利用其內(nèi)置數(shù)學(xué)庫(kù)和算法庫(kù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速處理和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。例如，當(dāng)傳感器檢測(cè)到輻射劑量超標(biāo)時(shí)，MCU能迅速處理數(shù)據(jù)并通過(guò)通信接口發(fā)出警報(bào)，同時(shí)控制相關(guān)執(zhí)行器采取相應(yīng)的措施，如關(guān)閉核設(shè)施的某些設(shè)備或啟動(dòng)應(yīng)急處理程序等。

（二）其他應(yīng)用領(lǐng)域中的集成應(yīng)用

抗輻照DCDC與MCU芯片不僅在核環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備中有廣泛應(yīng)用，還在其他對(duì)可靠性要求較高的領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。例如，在航空航天領(lǐng)域，衛(wèi)星、航天器等設(shè)備需要在太空輻射環(huán)境中長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行?？馆椪誅CDC與MCU芯片能夠?yàn)樾l(wèi)星的通信系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、科學(xué)探測(cè)儀器等提供可靠的電源管理和控制支持，確保衛(wèi)星在太空中的正常工作。在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，一些具有放射性的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，如核電站、放射性物質(zhì)處理工廠等，也需要使用抗輻照DCDC與MCU芯片來(lái)保證自動(dòng)化設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，提高生產(chǎn)效率和安全性。在醫(yī)療領(lǐng)域，放射治療設(shè)備、核醫(yī)學(xué)成像設(shè)備等也需要抗輻照DCDC與MCU芯片來(lái)確保設(shè)備的精確控制和安全運(yùn)行，保障患者的健康和安全。

七、結(jié)論

抗輻照DCDC與MCU芯片在核環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備中具有不可替代的作用。隨著科技的不斷進(jìn)步，抗輻照DCDC與MCU芯片將不斷完善和發(fā)展。例如，進(jìn)一步提高芯片的抗輻照劑量閾值，使其能夠在更高強(qiáng)度的核輻射環(huán)境下正常工作；優(yōu)化芯片的功耗性能，在保證性能的前提下降低功耗，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命等。這些技術(shù)的發(fā)展將為核環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備的性能提升提供更有力的支持，推動(dòng)核能事業(yè)的安全和可持續(xù)發(fā)展。

隨著第四代核能系統(tǒng)和聚變能技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，對(duì)核環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備的要求將更加嚴(yán)苛。這些新技術(shù)不僅要求芯片具備更強(qiáng)的抗輻照能力，還需要其能夠適應(yīng)更高溫度、更高壓力等極端環(huán)境條件。因此，芯片研發(fā)企業(yè)需要緊密關(guān)注核能技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，提前布局研發(fā)工作，滿足未來(lái)市場(chǎng)的需求。同時(shí)，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的制定也將不斷完善，對(duì)抗輻照芯片的性能指標(biāo)、測(cè)試方法等提出更加嚴(yán)格的要求，這將有助于規(guī)范市場(chǎng)秩序，促進(jìn)抗輻照芯片行業(yè)的健康、有序發(fā)展。

審核編輯 黃宇