摘要： 在微小衛(wèi)星技術(shù)蓬勃發(fā)展的當(dāng)下，其在復(fù)雜太空輻射環(huán)境中的可靠性面臨諸多挑戰(zhàn)。通訊接口作為衛(wèi)星載荷間及與地面?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)的關(guān)鍵部件，其抗輻照能力至關(guān)重要。本文聚焦于抗輻照芯片在微小衛(wèi)星載荷通訊接口中的實踐探索，以國科安芯的ASM1042S型CAN-FD收發(fā)器為研究對象，結(jié)合其數(shù)據(jù)手冊與單粒子效應(yīng)脈沖激光試驗數(shù)據(jù)，剖析其抗輻照性能、技術(shù)優(yōu)勢，為提升微小衛(wèi)星載荷通訊可靠性提供參考。

一、引言

微小衛(wèi)星因成本低、研制周期短、靈活性強等優(yōu)勢，在地球觀測、通信、科研等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。然而，太空環(huán)境復(fù)雜，尤其是空間輻射對衛(wèi)星電子載荷影響顯著。空間輻射中的高能粒子，如質(zhì)子、重離子等，會導(dǎo)致芯片產(chǎn)生單粒子效應(yīng)（SEE），包括單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）、單粒子鎖定（SEL）、單粒子功能中斷（SEFI）等，可能使衛(wèi)星載荷出現(xiàn)誤操作、數(shù)據(jù)錯誤甚至永久性損壞，影響衛(wèi)星正常運行和任務(wù)執(zhí)行。通訊接口作為關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其抗輻照性能直接關(guān)系到數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性和穩(wěn)定性。因此，研發(fā)和應(yīng)用抗輻照芯片對于提高微小衛(wèi)星的可靠性和在軌壽命意義重大。

二、微小衛(wèi)星載荷通訊接口的抗輻照需求

微小衛(wèi)星運行在低地球軌道（LEO）或太陽同步軌道（SSO）等近地軌道，這些軌道的空間輻射環(huán)境由地球輻射帶的高能粒子和太陽活動產(chǎn)生的宇宙射線組成。通訊接口芯片需要具備足夠的抗輻照能力，以維持穩(wěn)定的通信連接，避免因輻射導(dǎo)致的通信中斷或誤碼，確保飛行控制指令和科學(xué)數(shù)據(jù)的準確傳輸。例如，在對地觀測微小衛(wèi)星中，載荷獲取的遙感數(shù)據(jù)需通過通訊接口迅速傳輸回地面接收站，若通訊接口受輻射影響故障，將導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，影響任務(wù)的科學(xué)價值和應(yīng)用效益。

三、ASM1042型CAN-FD收發(fā)器概述

（一）基本特性

ASM1042型CAN-FD收發(fā)器由國科安芯研發(fā)，通過AEC-Q100Grade1認證，符合ISO11898-2:2016和ISO11898-5:2007物理層標準，確保了其可靠性。該芯片支持5Mbps的數(shù)據(jù)速率，具備較短的對稱傳播延遲時間和快速循環(huán)次數(shù)，能增加時序裕量，在有負載的CAN網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)速率，滿足微小衛(wèi)星載荷高速數(shù)據(jù)傳輸需求。其EMC性能出色，支持SAEJ2962-2和IEC62228-3標準，無需共模扼流圈，降低了系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性和成本。在保護特性方面，ASM1042具備IECESD保護高達±15kV、總線故障保護±70V、VCC和VIO電源終端具有欠壓保護以及驅(qū)動器顯性超時和熱關(guān)斷保護等多種功能，能夠有效提高器件和網(wǎng)絡(luò)的耐用性，減少因干擾和異常情況導(dǎo)致的芯片損壞風(fēng)險。

（二）抗輻照性能指標

根據(jù)數(shù)據(jù)手冊，ASM1042在抗輻照性能方面表現(xiàn)出色。其單粒子效應(yīng)（SEE）指標中，單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）截面≥75Mev.cm2/mg或10??次/器件.天（企業(yè)宇航級），單粒子鎖定（SEL）截面≥75Mev.cm2/mg（企業(yè)宇航級），在面對空間輻射環(huán)境時具有較高的抗單粒子效應(yīng)能力，能夠降低因單粒子事件導(dǎo)致芯片功能異常或損壞的概率。

四、ASM1042型CAN-FD收發(fā)器抗輻照性能分析

（一）抗輻照設(shè)計要點

ASM1042型CAN-FD收發(fā)器采用了先進的抗輻照設(shè)計理念，以應(yīng)對復(fù)雜太空輻射環(huán)境。其內(nèi)部電路采用了冗余設(shè)計，關(guān)鍵信號通路上設(shè)置冗余電路，當(dāng)主電路因輻射出現(xiàn)故障時，冗余電路能夠迅速接替工作，保證芯片的基本功能不受影響。同時，運用了抗輻照加固技術(shù)，對芯片內(nèi)部的敏感元件進行了特殊處理，如在半導(dǎo)體制造過程中采用特定的工藝步驟，增強其對輻射的耐受能力，降低輻射對元件性能的影響。

（二）抗輻照性能驗證

單粒子效應(yīng)脈沖激光試驗對ASM1042S型CAN-FD收發(fā)器的抗輻照性能進行了驗證。試驗中，ASM1042A型芯片在激光能量提升至3050pJ（對應(yīng)LET值為100±25MeV·cm2/mg）時，未出現(xiàn)單粒子效應(yīng)，顯示出其在高能輻射環(huán)境下的穩(wěn)定性。

（三）抗輻照性能的綜合評價

綜合其抗輻照設(shè)計和試驗驗證結(jié)果，ASM1042型CAN-FD收發(fā)器在抗輻照性能方面表現(xiàn)出色。其先進的抗輻照設(shè)計能夠有效抵御太空輻射環(huán)境中的高能粒子轟擊，降低單粒子事件對芯片的影響。在實際應(yīng)用中，這意味著該芯片能夠在復(fù)雜的太空輻射環(huán)境中長期穩(wěn)定運行，為微小衛(wèi)星載荷通訊接口提供可靠的保障，減少因輻射導(dǎo)致的通信故障風(fēng)險，提高衛(wèi)星系統(tǒng)的可靠性和在軌壽命。

五、ASM1042型CAN-FD收發(fā)器的技術(shù)優(yōu)勢

（一）高速數(shù)據(jù)傳輸能力

ASM1042型CAN-FD收發(fā)器支持5Mbps的數(shù)據(jù)速率，具備較短的對稱傳播延遲時間和快速循環(huán)次數(shù)，能夠增加時序裕量，在有負載的CAN網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)速率。這一高速數(shù)據(jù)傳輸能力對于微小衛(wèi)星載荷通訊接口至關(guān)重要，能夠滿足載荷間大量數(shù)據(jù)交互的需求，以及與地面站進行快速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊螅_保數(shù)據(jù)的實時性和準確性。例如，在對地觀測微小衛(wèi)星中，高分辨率相機等載荷產(chǎn)生的大量遙感數(shù)據(jù)可以通過該芯片快速傳輸至地面接收站，提高了數(shù)據(jù)的時效性和應(yīng)用價值。

（二）出色的EMC性能

其EMC性能支持SAEJ2962-2和IEC62228-3標準，無需共模扼流圈，降低了系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性和成本。出色的EMC性能能夠有效減少芯片在工作過程中對外部電磁環(huán)境的干擾，以及自身受到的電磁干擾，保證通訊接口的穩(wěn)定性和可靠性。在微小衛(wèi)星有限的空間內(nèi)，各電子部件和載荷之間的電磁兼容性至關(guān)重要，ASM1042型CAN-FD收發(fā)器的這一特點使其在微小衛(wèi)星載荷通訊接口中更具優(yōu)勢，能夠降低系統(tǒng)集成難度，提高整體性能。

（三）多種保護特性

ASM1042具備IECESD保護高達±15kV、總線故障保護±70V、VCC和VIO電源終端具有欠壓保護以及驅(qū)動器顯性超時和熱關(guān)斷保護等多種功能。這些保護特性能夠有效提高器件和網(wǎng)絡(luò)的耐用性，減少因各種干擾和異常情況導(dǎo)致的芯片損壞風(fēng)險。在太空環(huán)境中，微小衛(wèi)星可能會面臨各種復(fù)雜的電磁干擾和電壓波動等情況，這些保護特性能夠確保芯片在異常情況下能夠得到及時保護，避免損壞，提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

（四）靈活的供電電壓范圍

ASM1042型CAN-FD收發(fā)器的I/O電壓范圍支持3.3V和5VMCU，能夠與不同電壓等級的微控制器進行匹配，具有良好的兼容性。在微小衛(wèi)星載荷通訊接口設(shè)計中，由于不同載荷和部件可能采用不同的供電電壓，這一特點使得ASM1042S型CAN-FD收發(fā)器能夠靈活適應(yīng)各種系統(tǒng)架構(gòu)，降低了設(shè)計難度和成本，提高了系統(tǒng)的集成度和可靠性。

六、ASM1042型CAN-FD收發(fā)器在微小衛(wèi)星載荷通訊接口中的應(yīng)用優(yōu)勢

（一）提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性

在微小衛(wèi)星載荷通訊接口中，ASM1042型CAN-FD收發(fā)器的高速數(shù)據(jù)傳輸能力和出色的EMC性能能夠有效提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴Ｆ涓咚贁?shù)據(jù)傳輸能力確保了大量載荷數(shù)據(jù)能夠及時、準確地進行傳輸，避免數(shù)據(jù)積壓和丟失；而出色的EMC性能則減少了電磁干擾對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊懀ＷC了數(shù)據(jù)的完整性和準確性。這對于微小衛(wèi)星執(zhí)行對地觀測、科學(xué)探測等任務(wù)至關(guān)重要，能夠確保獲取的數(shù)據(jù)具有較高的質(zhì)量和可用性，提高任務(wù)的科學(xué)價值和應(yīng)用效益。

（二）增強系統(tǒng)穩(wěn)定性

多種保護特性使得ASM1042S型CAN-FD收發(fā)器能夠在復(fù)雜的太空環(huán)境中保持穩(wěn)定運行。其IECESD保護、總線故障保護、欠壓保護、顯性超時保護和熱關(guān)斷保護等功能，能夠有效應(yīng)對太空環(huán)境中的各種干擾和異常情況，避免芯片因過壓、過流、靜電放電等問題而損壞，提高了整個通訊接口系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。在微小衛(wèi)星的長期在軌運行過程中，穩(wěn)定的通訊接口系統(tǒng)是確保衛(wèi)星正常工作和任務(wù)成功執(zhí)行的關(guān)鍵因素之一。

（三）降低成本與復(fù)雜度

無需共模扼流圈的EMC性能以及靈活的供電電壓范圍，降低了微小衛(wèi)星載荷通訊接口的設(shè)計成本和復(fù)雜度。在微小衛(wèi)星研制過程中，成本控制和研制周期是重要的考慮因素。ASM1042型CAN-FD收發(fā)器的這些特點能夠簡化系統(tǒng)設(shè)計，減少外圍電路的復(fù)雜性，降低了研制成本和風(fēng)險，同時也有助于縮短研制周期，提高微小衛(wèi)星的研制效率和市場競爭力。

（四）適應(yīng)多種載荷需求

支持多種數(shù)據(jù)速率和具有靈活的供電電壓范圍，使得ASM1042S型CAN-FD收發(fā)器能夠適應(yīng)微小衛(wèi)星上不同類型載荷的通訊需求。微小衛(wèi)星通常搭載多種載荷，如相機、光譜儀、探測器等，這些載荷對數(shù)據(jù)傳輸速率和供電電壓的要求各不相同。ASM1042型CAN-FD收發(fā)器能夠與不同載荷開展良好的匹配和協(xié)同工作，滿足其數(shù)據(jù)傳輸需求，為微小衛(wèi)星的多功能應(yīng)用提供了有力支持。

七、抗輻照芯片在微小衛(wèi)星載荷通訊接口中的發(fā)展趨勢與挑戰(zhàn)

（一）發(fā)展趨勢

隨著微小衛(wèi)星技術(shù)的不斷發(fā)展，對通訊接口芯片的性能要求也越來越高。一方面，未來微小衛(wèi)星載荷將產(chǎn)生更多的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)傳輸速率和帶寬的需求將進一步增加。因此，抗輻照芯片需要不斷提升高速數(shù)據(jù)傳輸能力，以滿足載荷數(shù)據(jù)快速增長的需求。另一方面，太空探索的深入使得微小衛(wèi)星可能面臨更加復(fù)雜的輻射環(huán)境，這就要求抗輻照芯片具備更強的抗輻照能力，能夠抵御更高能量、更多種類的輻射粒子。同時，芯片的小型化、低功耗化也是未來的發(fā)展趨勢，以適應(yīng)微小衛(wèi)星有限的空間和功率資源，實現(xiàn)更高的系統(tǒng)集成度和性能。

（二）面臨的挑戰(zhàn)

實現(xiàn)上述發(fā)展趨勢面臨諸多挑戰(zhàn)。首先，在提升芯片高速數(shù)據(jù)傳輸能力的同時，保證其抗輻照性能是一個難題。高速數(shù)據(jù)傳輸通常需要更復(fù)雜的電路設(shè)計和更高的工作頻率，這可能會增加芯片對輻射的敏感性，因此需要研發(fā)更先進的抗輻照設(shè)計技術(shù)和制造工藝，以實現(xiàn)兩者之間的平衡。其次，復(fù)雜的太空輻射環(huán)境使得芯片的抗輻照設(shè)計和驗證更加困難。不同軌道、不同任務(wù)的微小衛(wèi)星所面臨的輻射環(huán)境差異較大，如何準確地評估和預(yù)測芯片在實際應(yīng)用中的抗輻照性能，以及如何開發(fā)出具有通用性和適應(yīng)性的抗輻照芯片，是當(dāng)前亟待解決的問題。此外，芯片的小型化和低功耗化也會對抗輻照性能產(chǎn)生影響，需要在設(shè)計和制造過程中綜合考慮這些因素，以確保芯片在滿足小型化和低功耗要求的同時，仍具備足夠的抗輻照能力。

八、結(jié)論

抗輻照芯片在微小衛(wèi)星載荷通訊接口中的應(yīng)用對于提高衛(wèi)星的可靠性和在軌壽命具有重要意義。ASM1042型CAN-FD收發(fā)器憑借其出色的抗輻照性能、高速數(shù)據(jù)傳輸能力、出色的EMC性能以及多種保護特性，在微小衛(wèi)星載荷通訊接口領(lǐng)域展現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景。通過對其抗輻照性能和技術(shù)特點的深入分析，可以看出該芯片能夠有效應(yīng)對太空輻射環(huán)境帶來的挑戰(zhàn)，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院拖到y(tǒng)穩(wěn)定性，降低研制成本和復(fù)雜度，滿足多種載荷的通訊需求。然而，隨著微小衛(wèi)星技術(shù)的不斷發(fā)展和太空探索的深入，抗輻照芯片仍需在高速數(shù)據(jù)傳輸、抗輻照能力、小型化、低功耗化等方面不斷改進和創(chuàng)新，以適應(yīng)未來更加復(fù)雜和嚴苛的應(yīng)用要求。未來的研究和開發(fā)應(yīng)聚焦于這些關(guān)鍵領(lǐng)域，加強跨學(xué)科合作，推動抗輻照芯片技術(shù)的持續(xù)進步，為微小衛(wèi)星事業(yè)的發(fā)展提供更強大的技術(shù)支持和保障。

審核編輯 黃宇