摘要 ：隨著空間科學(xué)探測(cè)任務(wù)向深空及高輻射環(huán)境持續(xù)拓展，硅微條探測(cè)器作為高能粒子探測(cè)的核心載荷，其配套電子系統(tǒng)的抗輻照能力已成為制約任務(wù)可靠性的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。本文基于國(guó)科安芯推出的商業(yè)航天級(jí)AS32S601型MCU與ASP4644S2B型DC/DC降壓穩(wěn)壓器的地面輻照試驗(yàn)數(shù)據(jù)及在軌驗(yàn)證結(jié)果，系統(tǒng)分析這兩款器件在單粒子效應(yīng)、總劑量效應(yīng)及位移損傷效應(yīng)方面的抗輻照性能指標(biāo)，并結(jié)合硅微條探測(cè)器前端讀出電子學(xué)的典型架構(gòu)，深入探討其在探測(cè)器偏壓控制、低噪聲電源管理、高精度數(shù)據(jù)采集與處理、實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)等環(huán)節(jié)的具體應(yīng)用模式與技術(shù)實(shí)現(xiàn)路徑。

1. 引言

空間輻射環(huán)境對(duì)航天器電子系統(tǒng)構(gòu)成的威脅是航天工程長(zhǎng)期面臨的核心挑戰(zhàn)之一。地球輻射帶中的高能質(zhì)子、銀河宇宙射線中的重離子以及太陽(yáng)粒子事件產(chǎn)生的次級(jí)中子，均會(huì)通過(guò)電離總劑量效應(yīng)（Total Ionizing Dose, TID）、單粒子效應(yīng)（Single Event Effects, SEE）及位移損傷效應(yīng)（Displacement Damage, DD）等多種機(jī)制引發(fā)半導(dǎo)體器件性能退化或功能異常。硅微條探測(cè)器作為空間高能物理、天體物理及空間環(huán)境監(jiān)測(cè)任務(wù)中的關(guān)鍵傳感器件，其前端電子學(xué)系統(tǒng)需在-55℃至+125℃寬溫域及強(qiáng)輻射環(huán)境下實(shí)現(xiàn)低噪聲、高精度、高可靠的電荷測(cè)量與數(shù)據(jù)獲取。傳統(tǒng)宇航級(jí)元器件雖具備優(yōu)異的抗輻照能力，但存在供應(yīng)鏈?zhǔn)芟?、成本高昂、技術(shù)迭代緩慢等問(wèn)題，難以滿足商業(yè)航天快速響應(yīng)、低成本、批量化應(yīng)用的實(shí)際需求。近年來(lái)，以國(guó)科安芯為代表的國(guó)內(nèi)廠商通過(guò)抗輻照加固設(shè)計(jì)技術(shù)，推出符合商業(yè)航天質(zhì)量等級(jí)的AS32S601型32位RISC-V MCU與ASP4644S2B型四通道DC/DC降壓穩(wěn)壓器，并在地面加速器試驗(yàn)與真實(shí)在軌任務(wù)中完成性能驗(yàn)證，為硅微條探測(cè)器系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化與商業(yè)化提供了可行的技術(shù)路徑與工程解決方案。

2. 空間輻射環(huán)境對(duì)硅微條探測(cè)器電子系統(tǒng)的輻照效應(yīng)機(jī)理分析

硅微條探測(cè)器系統(tǒng)通常由探測(cè)器本體、前端模擬專用集成電路（ASIC）、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、數(shù)據(jù)處理微控制器、高壓偏置模塊及二次電源管理單元構(gòu)成。在空間軌道環(huán)境中，電子元器件主要面臨三類輻照效應(yīng)的嚴(yán)重威脅：

2.1 單粒子效應(yīng)（SEE）

高能帶電粒子穿過(guò)器件敏感區(qū)時(shí)，通過(guò)直接電離作用或核反應(yīng)產(chǎn)生電荷沉積，引發(fā)單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）、單粒子鎖定（SEL）、單粒子功能中斷（SEFI）等軟錯(cuò)誤，或單粒子燒毀（SEB）、單粒子?xùn)糯⊿EGR）等硬失效。對(duì)于深亞微米工藝節(jié)點(diǎn)的CMOS器件，SEL閾值通常低于15 MeV·cm2/mg，而SEU飽和截面在LET=20-40 MeV·cm2/mg區(qū)間達(dá)到峰值。在硅微條探測(cè)器系統(tǒng)中，MCU程序跑飛或電源芯片鎖定將直接導(dǎo)致探測(cè)數(shù)據(jù)丟失、探測(cè)器高壓異?；蚯岸薃SIC配置錯(cuò)亂，可能引發(fā)永久性損傷或任務(wù)級(jí)故障。

2.2 總劑量效應(yīng)（TID）

γ射線及質(zhì)子長(zhǎng)期累積電離作用會(huì)在MOSFET柵氧層中引入氧化物陷阱電荷與界面態(tài)，導(dǎo)致閾值電壓漂移、跨導(dǎo)退化、泄漏電流增加等參數(shù)劣化。對(duì)于未經(jīng)加固的商用器件，TID失效閾值普遍低于30 krad(Si)，而典型近地軌道年累積劑量可達(dá)數(shù)十krad(Si)，地球同步軌道年劑量更高。電源管理芯片的輸出精度與效率對(duì)TID引起的MOSFET特性退化尤為敏感。

2.3 位移損傷效應(yīng)（DD）

高能質(zhì)子及中子通過(guò)非電離能量損失（NIEL）在晶格中引入缺陷，影響少數(shù)載流子壽命與遷移率，對(duì)雙極型器件及光電器件影響尤為顯著。雖然對(duì)數(shù)字CMOS器件影響相對(duì)較小，但在長(zhǎng)期任務(wù)中仍不可忽視其累積效應(yīng)。

硅微條探測(cè)器系統(tǒng)對(duì)SEE敏感性強(qiáng)，對(duì)電源穩(wěn)定性要求極高，因此器件抗輻照能力必須覆蓋軌道最惡劣情況下的LET譜與累積劑量分布。

3. 商業(yè)航天級(jí)AS32S601型MCU抗輻照性能試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 器件架構(gòu)與功能特性

AS32S601ZIT2型MCU基于32位RISC-V E7內(nèi)核，集成16 KiB指令緩存與16 KiB數(shù)據(jù)緩存，工作頻率最高可達(dá)180 MHz。芯片配置2 MiB P-Flash、512 KiB D-Flash及512 KiB SRAM存儲(chǔ)器資源，均配備ECC校驗(yàn)功能，可有效抑制SEU引發(fā)的存儲(chǔ)位翻轉(zhuǎn)。外設(shè)資源包括3路12位ADC（最高48通道）、4路CAN-FD、6路SPI（速率最高30 MHz）、4路USART及2路I2C接口，完全滿足硅微條探測(cè)器多通道數(shù)據(jù)采集與總線通信需求。器件采用LQFP144封裝，標(biāo)稱工作電壓2.7-5.5 V，商業(yè)航天級(jí)版本在-55℃至+125℃溫區(qū)范圍內(nèi)滿足AEC-Q100 Grade 1認(rèn)證要求，并提供國(guó)產(chǎn)化證明。

3.2 單粒子效應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)中國(guó)原子能科學(xué)研究院100 MeV質(zhì)子回旋加速器試驗(yàn)報(bào)告（編號(hào)2025-ZZ-BG-005），AS32S601ZIT2在注量率1×10? p·cm?2·s?1、總注量1×101? p/cm2的嚴(yán)酷條件下，未監(jiān)測(cè)到單粒子鎖定或功能中斷事件。試驗(yàn)采用動(dòng)態(tài)功能監(jiān)測(cè)模式，實(shí)時(shí)運(yùn)行FLASH/RAM擦寫(xiě)與CAN通信測(cè)試程序，工作電流穩(wěn)定在135 mA，輻照前后電參數(shù)偏差小于3%。結(jié)合脈沖激光模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)（編號(hào)ZKX-2024-SB-21），當(dāng)?shù)刃ET值提升至75 MeV·cm2/mg時(shí)，監(jiān)測(cè)到CPU復(fù)位現(xiàn)象，判定為SEFI事件，但SEL閾值高于75 MeV·cm2/mg，滿足QJ10005A-2018標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)GEO軌道器件的SEE指標(biāo)要求。試驗(yàn)樣品數(shù)量為1只，雖達(dá)到鑒定試驗(yàn)最低要求，但在批量應(yīng)用中需關(guān)注工藝批次一致性。

3.3 總劑量效應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果分析

在北京大學(xué)技術(shù)物理系鈷60源輻照平臺(tái)完成的TID試驗(yàn)（編號(hào)ZKX-TID-TP-006）表明，AS32S601ZIT2在25 rad(Si)/s劑量率下累積至150 krad(Si)，并經(jīng)過(guò)50%過(guò)輻照（225 krad(Si)）及168小時(shí)高溫退火后，靜態(tài)工作電流、CAN通信誤碼率及ADC轉(zhuǎn)換精度均未超出規(guī)范限值。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，3.3 V供電下工作電流僅由135 mA微降至132 mA，F(xiàn)LASH寫(xiě)入保持正常，證明其氧化層加固設(shè)計(jì)與陷阱電荷抑制技術(shù)的有效性。數(shù)據(jù)手冊(cè)承諾TID指標(biāo)≥150 krad(Si)，地面驗(yàn)證結(jié)果保守支持該指標(biāo)，適用于5-8年近地軌道任務(wù)或更短周期的深空探測(cè)任務(wù)。

3.4 與硅微條探測(cè)器系統(tǒng)的適配性分析

在硅微條探測(cè)器前端電子學(xué)中，AS32S601可承擔(dān)多項(xiàng)關(guān)鍵功能，顯著提升系統(tǒng)集成度與可靠性：

3.4.1 數(shù)據(jù)獲取與處理控制 通過(guò)SPI接口可實(shí)時(shí)配置前端ASIC（如VA、VF系列或國(guó)產(chǎn)等效型號(hào)）的工作參數(shù)，包括增益、成形時(shí)間、通道使能等。利用180 MHz主頻與16 KiB緩存，可實(shí)現(xiàn)128通道以上并行讀出，觸發(fā)率支持達(dá)100 kHz，滿足空間高能物理實(shí)驗(yàn)對(duì)高計(jì)數(shù)率的要求。ECC保護(hù)的SRAM確保在SEE高發(fā)環(huán)境下程序運(yùn)行不中斷。

3.4.2 高壓偏置管理 通過(guò)內(nèi)置的12位DAC輸出0-5 V模擬電壓，經(jīng)外部高壓模塊升壓后為探測(cè)器提供50-200 V反向偏置電壓。同時(shí)利用帶ECC的ADC實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)探測(cè)器漏電流，當(dāng)探測(cè)到異常增大時(shí)可快速切斷高壓，避免探測(cè)器永久性擊穿損傷。

3.4.3 數(shù)據(jù)打包與下行通信 CAN-FD接口支持2 Mbps傳輸速率，采用靈活數(shù)據(jù)速率與CRC校驗(yàn)，將壓縮后的命中數(shù)據(jù)發(fā)送至星載計(jì)算機(jī)。相較于傳統(tǒng)RS422接口，傳輸效率提升約40%，且總線拓?fù)浜?jiǎn)化，布線復(fù)雜度降低。

3.4.4 在軌健康監(jiān)測(cè)與故障診斷 實(shí)時(shí)采集各關(guān)鍵芯片的工作溫度、電源電壓及單粒子事件計(jì)數(shù)，存儲(chǔ)于帶ECC的SRAM中。通過(guò)內(nèi)置DSU硬件加密模塊，確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)完整性，防止SEFI導(dǎo)致數(shù)據(jù)鏈路錯(cuò)亂，支持在軌故障注入診斷與壽命預(yù)測(cè)。

4. 商業(yè)航天級(jí)ASP4644S2B型DC/DC降壓穩(wěn)壓器抗輻照性能試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 器件架構(gòu)與功能特性

ASP4644S2B采用BGA77集成封裝，集成4路獨(dú)立降壓通道，每路最大輸出電流4 A（峰值5 A），單路最高效率可達(dá)95%。芯片支持4-14 V寬輸入電壓范圍，輸出電壓通過(guò)外部電阻分壓器在0.6-5.5 V間精確調(diào)節(jié)。關(guān)鍵保護(hù)功能包括逐周期過(guò)流保護(hù)（OCP，閾值7 A）、過(guò)溫關(guān)斷（OTP，閾值160℃）及PGOOD窗口監(jiān)測(cè)（±10%）。1 MHz固定開(kāi)關(guān)頻率可通過(guò)CLKIN外部同步至700 kHz-1.3 MHz，多通道間固定180°相移，支持4路并聯(lián)輸出16 A大電流模式，均流精度優(yōu)于±5%。

4.2 單粒子效應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果分析

重離子試驗(yàn)（編號(hào)2025FZ009）在中國(guó)原子能科學(xué)研究院HI-13串列加速器上完成，采用74Ge離子，LET=37.4 MeV·cm2/mg，總注量8.3×10? ions/cm2。在線監(jiān)測(cè)顯示，工作電流隨注量緩慢上升至300 mA后，停止輻照可恢復(fù)至正常值71 mA，判定為電離電荷累積導(dǎo)致的瞬態(tài)擾動(dòng)而非SEL。輸出電壓1.5 V保持穩(wěn)定，未出現(xiàn)SEB。質(zhì)子試驗(yàn)（編號(hào)2025-ZZ-BG-003）在100 MeV、1×101? p/cm2條件下同樣未觸發(fā)鎖定，RESET功能正常。試驗(yàn)表明SEL閾值高于37.4 MeV·cm2/mg，但產(chǎn)品手冊(cè)承諾值≥75 MeV·cm2/mg，試驗(yàn)僅驗(yàn)證了部分區(qū)間，極重離子環(huán)境下的安全性需進(jìn)一步評(píng)估。

4.3 總劑量效應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果分析

鈷60輻照試驗(yàn)（編號(hào)ZKX-TID-TP-0005）在25 rad(Si)/s劑量率下累積至125 krad(Si)，器件未開(kāi)蓋測(cè)試。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，12 V輸入、1.5 V/4 A輸出條件下，靜態(tài)電流72 mA輻照前后無(wú)變化，電壓調(diào)整率與負(fù)載調(diào)整率優(yōu)于0.4%，輸出紋波＜5 mV。過(guò)輻照至150 krad(Si)并經(jīng)歷168小時(shí)125℃退火后，過(guò)流保護(hù)閾值偏差＜5%，證明內(nèi)部MOSFET與電流檢測(cè)電路的TID加固有效性。數(shù)據(jù)手冊(cè)承諾TID≥125 krad(Si)，試驗(yàn)結(jié)果與其一致，保守估計(jì)可滿足8-10年近地軌道任務(wù)或3年地球同步軌道任務(wù)需求。

4.4 與硅微條探測(cè)器電源系統(tǒng)的適配性

ASP4644S2B在探測(cè)器供電中的技術(shù)優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在多個(gè)方面：

4.4.1 多路獨(dú)立供電架構(gòu) 4路獨(dú)立輸出可分別為前端ASIC模擬電源（3.3 V）、數(shù)字電源（1.8 V）、FPGA內(nèi)核（1.2 V）及偏壓模塊（5 V）供電，實(shí)現(xiàn)電源分區(qū)管理。當(dāng)某一路因SEE發(fā)生瞬態(tài)故障時(shí)，PGOOD信號(hào)可觸發(fā)MCU中斷，快速隔離故障通道，避免連鎖反應(yīng)導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。

4.4.2 并聯(lián)均流能力 對(duì)于功耗超過(guò)4 A的高性能FPGA或ASIC，4路并聯(lián)可提供16 A持續(xù)電流，并聯(lián)均流精度±5%，確保熱應(yīng)力分布均勻。內(nèi)部電流模式控制環(huán)路無(wú)需外部均流芯片，簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)并提升可靠性。

4.4.3 軟啟動(dòng)與跟蹤功能 通過(guò)TRACK/SS引腳實(shí)現(xiàn)4路上電時(shí)序精確控制，啟動(dòng)時(shí)間可編程至17.4 ms，避免多路同時(shí)啟動(dòng)產(chǎn)生浪涌電流超過(guò)衛(wèi)星母線負(fù)載能力。支持重合跟蹤與比例跟蹤模式，滿足FPGA內(nèi)核先于I/O上電的時(shí)序要求，防止閂鎖效應(yīng)。

4.4.4 抗輻射魯棒性 在空間應(yīng)用中，電源芯片SEL將導(dǎo)致整星斷電重啟，影響任務(wù)連續(xù)性。ASP4644的SEL-free特性可省略冗余電源切換開(kāi)關(guān)，簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提升電源轉(zhuǎn)換效率2-3個(gè)百分點(diǎn)。

5. 結(jié)論

AS32S601型MCU與ASP4644S2B型DC/DC降壓穩(wěn)壓器憑借在地面試驗(yàn)中驗(yàn)證的抗輻照性能（SEL閾值＞37.4 MeV·cm2/mg，TID＞125 krad(Si)），為硅微條探測(cè)器系統(tǒng)提供了高可靠、低成本的國(guó)產(chǎn)化解決方案。其高集成度架構(gòu)顯著降低了系統(tǒng)復(fù)雜度與制造成本，適合商業(yè)航天小衛(wèi)星及微納載荷的批量部署。工程實(shí)踐表明，該方案在近地軌道空間科學(xué)探測(cè)任務(wù)中具有明確的技術(shù)可行性與經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

審核編輯 黃宇