摘要： 隨著商業(yè)航天的蓬勃發(fā)展，衛(wèi)星技術(shù)正朝著小型化、高性能和高可靠性的方向快速演進(jìn)。在這一進(jìn)程中，芯片作為衛(wèi)星系統(tǒng)的核心組件，其抗輻射性能尤其是抗單粒子效應(yīng)的能力，成為決定衛(wèi)星在軌穩(wěn)定性和任務(wù)成功率的關(guān)鍵因素。本文聚焦于芯片抗單粒子效應(yīng)（SEU/SEL）的研究，深入探討其物理機制、設(shè)計優(yōu)化策略以及實驗驗證方法。通過詳細(xì)分析國科安芯推出的ASM1042S通信芯片與ASP4644S電源管理芯片的技術(shù)特性，闡述其在商業(yè)衛(wèi)星測傳一體機中的功能實現(xiàn)與可靠性貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：抗單粒子效應(yīng)；商業(yè)衛(wèi)星；測傳一體機；芯片可靠性；抗輻射設(shè)計

一、引言

商業(yè)航天的崛起推動了衛(wèi)星技術(shù)的革新，小型化、低成本和高性能成為衛(wèi)星發(fā)展的主流趨勢。在此背景下，測傳一體機作為衛(wèi)星與地面站通信的核心設(shè)備，其穩(wěn)定性與效率對衛(wèi)星任務(wù)的成功至關(guān)重要。芯片作為測傳一體機的關(guān)鍵組成部分，面臨著太空環(huán)境中高能粒子輻射帶來的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，單粒子效應(yīng)便是其中最具代表性的威脅之一。深入研究芯片抗單粒子性能并將其成功應(yīng)用于商業(yè)衛(wèi)星測傳一體機，不僅能夠顯著提升衛(wèi)星的在軌可靠性，還能為商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。

二、單粒子效應(yīng)的物理機制

單粒子效應(yīng)（SEU/SEL）是太空輻射環(huán)境下芯片面臨的主要威脅。當(dāng)高能粒子（如質(zhì)子、重離子等）穿過芯片敏感區(qū)域時，會在半導(dǎo)體材料中引發(fā)電離過程，產(chǎn)生大量電荷載流子。這些載流子在芯片內(nèi)部電場的作用下運動，可能引起芯片內(nèi)部邏輯狀態(tài)的翻轉(zhuǎn)（SEU）或功率器件的燒毀（SEL），從而導(dǎo)致芯片功能異常甚至永久性損壞。

SEU的發(fā)生機制主要與芯片內(nèi)部的存儲單元和邏輯電路相關(guān)。當(dāng)高能粒子擊中存儲單元時，產(chǎn)生的電荷足以使存儲單元中的數(shù)據(jù)狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)。例如，在基于SRAM（靜態(tài)隨機存取存儲器）的存儲單元中，四個交叉耦合的晶體管維持著數(shù)據(jù)的“0”或“1”狀態(tài)。高能粒子的撞擊可能在某一晶體管中產(chǎn)生額外的電荷，使存儲單元的狀態(tài)發(fā)生反轉(zhuǎn)。這種狀態(tài)翻轉(zhuǎn)在數(shù)字電路中可能引發(fā)錯誤的數(shù)據(jù)處理和傳輸，進(jìn)而導(dǎo)致整個系統(tǒng)功能異常。

SEL則主要與芯片中的功率器件有關(guān)。當(dāng)高能粒子擊中功率器件的柵極氧化層或其他敏感區(qū)域時，產(chǎn)生的電荷可能形成瞬態(tài)的高電流，導(dǎo)致功率器件過熱甚至燒毀。例如，在MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）中，高能粒子撞擊柵極氧化層可能引發(fā)柵極漏電流急劇增加，形成短路，最終導(dǎo)致器件損壞。

在太空環(huán)境中，低地球軌道（LEO）、中地球軌道（MEO）和地球同步軌道（GEO）不同軌道位置的粒子輻射環(huán)境差異顯著，芯片在不同軌道中遭受單粒子效應(yīng)的風(fēng)險也相應(yīng)變化。此外，芯片的幾何尺寸越小，單位面積內(nèi)集成的電路越密集，單粒子效應(yīng)引發(fā)故障的概率也相應(yīng)增加。隨著半導(dǎo)體制造工藝不斷向更小的納米尺度演進(jìn)，芯片的抗單粒子效應(yīng)能力成為亟待解決的關(guān)鍵問題。

三、芯片抗單粒子性能的設(shè)計策略

為應(yīng)對單粒子效應(yīng)的挑戰(zhàn)，芯片設(shè)計階段需采取多種抗輻射加固技術(shù)。首先是器件布局優(yōu)化。通過合理規(guī)劃芯片內(nèi)部的電路布局，增加敏感器件之間的間距，降低單粒子同時影響多個器件的概率。例如，在存儲單元的布局設(shè)計中，采用交錯排列的方式，使相鄰存儲單元的敏感區(qū)域不在同一直線上，從而減少單粒子引發(fā)多個存儲單元翻轉(zhuǎn)的可能性。

其次是增加保護(hù)電路。在芯片的關(guān)鍵節(jié)點增設(shè)抗輻射保護(hù)電路，如單粒子效應(yīng)觸發(fā)的復(fù)位電路和錯誤校正電路（ECC）。復(fù)位電路能夠在檢測到單粒子效應(yīng)引起的異常狀態(tài)時，及時對芯片進(jìn)行復(fù)位操作，使芯片恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。ECC則通過對存儲數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼和校驗，自動檢測并糾正因單粒子效應(yīng)導(dǎo)致的單比特錯誤，有效提高數(shù)據(jù)存儲和傳輸?shù)目煽啃?。以存儲器為例，在存儲?shù)據(jù)時，同時存儲ECC編碼信息。在讀取數(shù)據(jù)時，利用ECC編碼對數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗，若發(fā)現(xiàn)單比特錯誤，則自動進(jìn)行糾正；若發(fā)現(xiàn)多比特錯誤，則觸發(fā)報警機制，提示系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理或復(fù)位操作。

在制造工藝層面，選用高抗輻射性能的材料是提升芯片抗單粒子性能的重要手段。例如，采用二氧化硅（SiO?）作為柵極氧化層材料時，通過優(yōu)化氧化工藝，提高氧化層的厚度均勻性和缺陷密度，能夠有效降低高能粒子在氧化層中引發(fā)的電荷陷阱效應(yīng)，減少柵極漏電流。同時，引入抗輻射的摻雜技術(shù)，如在硅襯底中摻入特定濃度的硼或磷等雜質(zhì)，能夠調(diào)節(jié)半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)，提高材料對輻射的耐受能力。此外，優(yōu)化離子注入工藝參數(shù)，如注入劑量、能量和角度等，能夠精確控制雜質(zhì)在半導(dǎo)體材料中的分布，進(jìn)一步增強芯片的抗單粒子效應(yīng)能力。

四、商業(yè)衛(wèi)星測傳一體機對芯片的需求分析

商業(yè)衛(wèi)星測傳一體機承擔(dān)著衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收、處理和傳輸?shù)闹厝危瑢π酒墓δ芎托阅芴岢隽硕喾矫娴膰?yán)格要求。

高速數(shù)據(jù)傳輸能力是滿足衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)實時下傳的關(guān)鍵。現(xiàn)代商業(yè)衛(wèi)星搭載的高分辨率遙感載荷能夠產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)，如光學(xué)遙感衛(wèi)星的全色和多光譜圖像數(shù)據(jù)、合成孔徑雷達(dá)（SAR）衛(wèi)星的雷達(dá)回波數(shù)據(jù)等。以一顆分辨率為0.5米的光學(xué)遙感衛(wèi)星為例，其每天產(chǎn)生的圖像數(shù)據(jù)量可達(dá)數(shù)百GB甚至TB級別。為了在有限的通信窗口時間內(nèi)將這些數(shù)據(jù)完整地傳輸?shù)降孛嬲荆瑴y傳一體機中的通信芯片需要具備至少1Gbps以上的數(shù)據(jù)傳輸速率。同時，隨著衛(wèi)星組網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，多顆衛(wèi)星協(xié)同觀測的應(yīng)用場景日益增多，這對芯片的高速數(shù)據(jù)傳輸能力提出了更高的要求，以實現(xiàn)衛(wèi)星之間的高速數(shù)據(jù)交換和協(xié)同處理。

高抗干擾能力確保測傳一體機在復(fù)雜的太空電磁環(huán)境下穩(wěn)定工作。太空環(huán)境存在著多種電磁干擾源，如太陽輻射、宇宙噪聲、其他衛(wèi)星和地面站的無線電信號等。這些干擾信號可能與測傳一體機的工作頻段發(fā)生重疊，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸誤碼率增加、通信鏈路中斷等問題。芯片通過采用先進(jìn)的信號調(diào)制解調(diào)技術(shù)、糾錯編碼技術(shù)和濾波技術(shù)等，能夠有效降低電磁干擾的影響。例如，采用正交頻分復(fù)用（OFDM）調(diào)制技術(shù)，能夠?qū)⒏咚贁?shù)據(jù)信號分散到多個子載波上進(jìn)行傳輸，提高信號的抗干擾能力；采用低密度奇偶校驗（LDPC）糾錯編碼技術(shù)，能夠在接收端對受到干擾的數(shù)據(jù)進(jìn)行高效糾錯，降低誤碼率。

低功耗特性對于優(yōu)化衛(wèi)星能源管理、延長衛(wèi)星使用壽命具有重要意義。衛(wèi)星的能源供應(yīng)主要依賴于太陽能電池板和蓄電池，能源資源相對有限。測傳一體機作為衛(wèi)星的關(guān)鍵載荷之一，其功耗在衛(wèi)星總功耗中占有較大比例。采用低功耗芯片能夠有效降低測傳一體機的能耗，使衛(wèi)星能夠?qū)⒏嗟哪茉捶峙浣o其他關(guān)鍵系統(tǒng)，如姿態(tài)控制、推進(jìn)系統(tǒng)等，從而延長衛(wèi)星的在軌壽命。例如，采用先進(jìn)的CMOS工藝制造的低功耗通信芯片，在保證數(shù)據(jù)傳輸性能的前提下，功耗較傳統(tǒng)芯片降低30%-50%，為衛(wèi)星能源的優(yōu)化管理提供了有力支持。

芯片的抗單粒子性能是保障測傳一體機在軌可靠運行的核心要素。在太空輻射環(huán)境下，單粒子效應(yīng)可能引發(fā)測傳一體機中的芯片出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤、通信鏈路中斷甚至永久性損壞等故障。一旦測傳一體機的關(guān)鍵芯片（如通信控制芯片、信號處理芯片等）遭受單粒子效應(yīng)影響，可能導(dǎo)致衛(wèi)星與地面站的通信中斷，遙感數(shù)據(jù)無法下傳，甚至影響衛(wèi)星的在軌姿態(tài)控制和軌道維持等關(guān)鍵操作。因此，選用抗單粒子性能優(yōu)異的芯片，是確保測傳一體機在復(fù)雜太空輻射環(huán)境下長期穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)。

五、ASM1042S****芯片在商業(yè)衛(wèi)星測傳一體機中的應(yīng)用分析

（一）芯片技術(shù)特性

ASM1042S系列芯片是一款高性能的CANFD通信接口芯片。其支持高達(dá)5Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，滿足商業(yè)衛(wèi)星測傳一體機對高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆Ｐ酒ㄟ^AEC-Q100Grade1認(rèn)證，符合ISO1189-2（2016）高速CAN物理層標(biāo)準(zhǔn)，確保在嚴(yán)苛環(huán)境下的可靠性與兼容性。

從電氣特性來看，ASM1042S芯片具有較寬的供電電壓范圍（VCC和VIO均支持3.3V和5V），能夠適應(yīng)不同衛(wèi)星平臺的電源系統(tǒng)配置。芯片的總線故障保護(hù)電壓達(dá)到±70V，在面對總線上的異常電壓時，能夠有效保護(hù)芯片免受損壞。同時，芯片具備靜電放電（ESD）保護(hù)能力，高達(dá)±15kV的保護(hù)水平使其能夠在惡劣的電磁穩(wěn)定環(huán)境下工作。此外，芯片的典型循環(huán)延遲時間為110ns，能夠?qū)崿F(xiàn)快速的數(shù)據(jù)傳輸響應(yīng)，保障測傳一體機實時通信的功能需求。

（二）在測傳一體機中的功能實現(xiàn)

在商業(yè)衛(wèi)星測傳一體機中，ASM1042S芯片主要承擔(dān)數(shù)據(jù)接收、處理和傳輸?shù)闹厝?。其高速率特性使得衛(wèi)星能夠?qū)⒋罅窟b感數(shù)據(jù)高效地傳輸至地面站，滿足了高分辨率遙感衛(wèi)星對數(shù)據(jù)下傳帶寬的嚴(yán)格要求。例如，在一顆搭載SAR載荷的商業(yè)衛(wèi)星中，SAR系統(tǒng)產(chǎn)生的雷達(dá)回波數(shù)據(jù)需要通過測傳一體機實時下傳至地面站進(jìn)行處理和分析。ASM1042S芯片憑借其5Mbps的高速數(shù)據(jù)傳輸能力，能夠確保SAR數(shù)據(jù)的無損傳輸，為地面站獲取高精度的地球表面圖像提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。

低延遲特性保障了數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r性，這對于衛(wèi)星與地面站之間的控制指令傳輸尤為重要。在衛(wèi)星的在軌運行過程中，地面站需要實時向衛(wèi)星發(fā)送姿態(tài)調(diào)整、軌道維持和載荷控制等指令。ASM1042S芯片的短循環(huán)延遲時間能夠使衛(wèi)星快速響應(yīng)地面站的控制指令，提高衛(wèi)星的在軌操作效率和靈活性。例如，當(dāng)衛(wèi)星面臨空間碎片威脅時，地面站可迅速通過測傳一體機向衛(wèi)星發(fā)送規(guī)避指令，衛(wèi)星接收到指令后及時調(diào)整姿態(tài)，避免與空間碎片發(fā)生碰撞。

芯片的抗單粒子性能確保了在太空復(fù)雜輻射環(huán)境下，數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和可靠性。通過采用抗輻射加固設(shè)計，ASM1042S芯片在面對單粒子效應(yīng)時能夠維持正常的邏輯狀態(tài)和數(shù)據(jù)傳輸功能。實驗表明，SEU:≥75MeV.cm2/mg，SEL:≥75MeV.cm2/mg。這一卓越的抗單粒子性能為測傳一體機在軌穩(wěn)定運行提供了堅實保障，有效降低了因單粒子效應(yīng)導(dǎo)致的數(shù)據(jù)傳輸錯誤和通信鏈路中斷風(fēng)險。

同時，芯片的低功耗特性有助于優(yōu)化衛(wèi)星能源管理，延長衛(wèi)星在軌壽命。在保證高性能數(shù)據(jù)傳輸?shù)那疤嵯?，ASM1042S芯片的功耗設(shè)計處于行業(yè)領(lǐng)先水平。其在正常工作模式下的功耗僅為幾十毫瓦，待機模式下功耗更是低至微瓦級別。這使得測傳一體機能夠在衛(wèi)星有限的能源供應(yīng)下高效運行，將更多的能源分配給其他關(guān)鍵系統(tǒng)，如遙感載荷、姿態(tài)控制和推進(jìn)系統(tǒng)等，從而延長衛(wèi)星的在軌使用壽命。

六、ASP4644S****芯片在商業(yè)衛(wèi)星測傳一體機中的應(yīng)用剖析

（一）芯片技術(shù)特性

ASP4644S芯片是一款高性能的四通道降壓穩(wěn)壓器，每個通道可提供高達(dá)4A的輸出電流。其輸入電壓范圍為4V至14V，輸出電壓可調(diào)節(jié)范圍為0.6V至5.5V，能夠滿足測傳一體機中不同模塊對電源電壓的多樣化需求。芯片具備快速瞬態(tài)響應(yīng)能力，能夠在負(fù)載電流突變時迅速調(diào)整輸出電壓，確保供電穩(wěn)定性。例如，當(dāng)測傳一體機中的信號處理模塊從低功耗待機狀態(tài)切換到高功率數(shù)據(jù)處理狀態(tài)時，負(fù)載電流可能瞬間增加數(shù)安培。ASP4644S芯片能夠在微秒級時間內(nèi)響應(yīng)這一負(fù)載變化，將輸出電壓波動控制在±5%以內(nèi)，保障信號處理模塊的正常工作。

從保護(hù)功能來看，芯片集成了過流、過溫、短路保護(hù)以及輸出跟蹤等多種功能。過流保護(hù)功能能夠在輸出電流超過額定值時及時切斷電源，防止芯片和負(fù)載損壞。過溫保護(hù)功能則在芯片溫度超過135℃時啟動，關(guān)閉功率MOSFET，避免芯片因過熱而性能下降或損壞。短路保護(hù)功能能夠在輸出端發(fā)生短路時迅速限制輸出電流，保護(hù)芯片和外部電路。輸出跟蹤功能使芯片的輸出電壓能夠跟隨主電源或其他芯片的輸出電壓變化，實現(xiàn)電源系統(tǒng)的同步啟動和關(guān)斷，降低系統(tǒng)啟動時的沖擊電流和電磁干擾。

在抗單粒子性能方面，ASP4644S芯片通過優(yōu)化器件布局、采用抗輻射材料和制造工藝等手段，顯著提高了芯片在太空輻射環(huán)境下的可靠性。實驗表明，采用先進(jìn)抗輻照技術(shù)進(jìn)行加固，ASP4644S抗輻照指標(biāo)為SEL≥75MeV.cm2/mg， SEU≥75MeV.cm2/mg。同時，在加速老化實驗中，芯片在經(jīng)過1000小時的高溫（125℃）、高濕度（85%RH）和高劑量輻射（100krad）測試后，其輸出電壓精度仍保持在±1%以內(nèi)，紋波電壓無明顯增加，各項性能指標(biāo)均滿足商業(yè)衛(wèi)星應(yīng)用要求。

（二）在測傳一體機中的功能實現(xiàn)

在商業(yè)衛(wèi)星測傳一體機中，ASP4644S芯片主要負(fù)責(zé)為測傳系統(tǒng)的各個模塊提供穩(wěn)定可靠的電源。其多通道輸出特性能夠滿足測傳一體機不同模塊對電源的多樣化需求。例如，為信號處理模塊提供3.3V/4A的電源，為數(shù)據(jù)存儲模塊提供1.8V/2A的電源，為通信模塊提供1.2V/3A的電源等。各通道之間相互獨立，互不干擾，確保不同模塊在工作過程中獲得穩(wěn)定的電源供給。

芯片的高效率和低紋波特性保障了測傳系統(tǒng)在工作過程中獲得高質(zhì)量的電源供應(yīng)。在高效率方面，ASP4644S芯片在全負(fù)載范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)換效率均保持在85%以上，最高可達(dá)92%。這不僅提高了衛(wèi)星能源的利用效率，還減少了芯片自身的發(fā)熱，降低了對衛(wèi)星熱控系統(tǒng)的要求。在低紋波方面，芯片的輸出紋波電壓低于30mV，能夠有效減少電源波動對數(shù)據(jù)傳輸和處理的影響。例如，在信號處理模塊中，低紋波電源能夠確保模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）的轉(zhuǎn)換精度，提高信號處理的準(zhǔn)確性。

芯片的抗單粒子性能為測傳一體機的在軌可靠運行提供了堅實保障。在太空輻射環(huán)境下，電源管理芯片一旦遭受單粒子效應(yīng)影響，可能導(dǎo)致輸出電壓異常、芯片短路甚至永久性損壞等故障，進(jìn)而影響整個測傳系統(tǒng)的工作。ASP4644S芯片憑借其優(yōu)異的抗單粒子性能，能夠在復(fù)雜的太空輻射環(huán)境中維持穩(wěn)定的電源輸出，確保測傳一體機的正常運行。實驗數(shù)據(jù)顯示，該芯片在單粒子效應(yīng)引發(fā)的瞬態(tài)干擾下，能夠在納秒級時間內(nèi)恢復(fù)正常的電源輸出，將對測傳系統(tǒng)的影響降至最低。

七、結(jié)論

芯片抗單粒子性能的研究與應(yīng)用對于商業(yè)衛(wèi)星測傳一體機乃至整個商業(yè)航天領(lǐng)域具有極為重要的意義。通過對單粒子效應(yīng)物理機制的深入探究，本文詳細(xì)闡述了國科安芯ASM1042S通信芯片與ASP4644S電源管理芯片在商業(yè)衛(wèi)星測傳一體機中的關(guān)鍵作用和卓越性能表現(xiàn)。這些研究成果不僅為商業(yè)衛(wèi)星系統(tǒng)在復(fù)雜太空環(huán)境下的長期穩(wěn)定運行提供了有力保障，還為未來芯片抗單粒子性能的進(jìn)一步提升指明了方向。

在未來的發(fā)展中，隨著抗輻射材料的創(chuàng)新研發(fā)、設(shè)計架構(gòu)的深度優(yōu)化、智能化監(jiān)測與修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用以及標(biāo)準(zhǔn)化與認(rèn)證體系的完善，芯片抗單粒子性能將得到全面提升。這將有力推動商業(yè)航天技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，使商業(yè)衛(wèi)星能夠在更加嚴(yán)苛的太空環(huán)境下執(zhí)行更加復(fù)雜的任務(wù)，為人類探索宇宙、利用太空資源提供更加可靠的技術(shù)支持。同時，也將進(jìn)一步降低商業(yè)航天項目的成本和風(fēng)險，促進(jìn)商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)的繁榮發(fā)展，開啟太空經(jīng)濟(jì)新時代的廣闊前景。

審核編輯 黃宇