摘要

隨著航天技術的發展，空間電子器件面臨著復雜的輻射環境挑戰。CANFD協議作為一種高效通信技術，廣泛應用于航天、工業和醫療等領域。本文系統分析了國科安芯推出的ASM1042S2S型CANFD芯片在復雜空間環境下的抗輻照性能及其在軌應用表現。研究涵蓋了總劑量輻照效應、重離子單粒子效應、質子單粒子效應、脈沖激光單粒子效應試驗以及實際在軌運行數據，探討了ASM1042S2S芯片的空間環境適應性及其在航天領域的應用潛力。研究結果表明，該芯片在多種輻照環境下均表現出優異的抗輻照能力，且在軌運行穩定，能夠滿足商業航天級應用需求。

1. 引言

隨著航天技術的快速發展，空間系統對電子器件的可靠性和抗輻照性能提出了越來越高的要求。空間環境中的高能粒子輻照會導致電子器件性能退化甚至失效，這對航天任務的成功構成嚴重威脅。CANFD（Controller Area Network with Flexible Data-Rate）作為一種高效通信協議，因其高速率和高可靠性，在航天、工業和醫療等領域得到了廣泛應用。

ASM1042S2S芯片是國科安芯研制的一款抗輻照CANFD通信接口芯片。該芯片支持5Mbps的通信速率，具有低功耗待機模式及遠程喚醒功能，采用VIS 0.15μm BCD工藝制造，封裝形式為SOP8L，工作溫度范圍為-55℃至+125℃。其設計與國際主流產品（如TJA1042和TCAN1042）完全兼容，且全流程國產化。本文基于多輪輻照試驗及在軌應用數據，系統性地分析了ASM1042S2S芯片的空間環境適應性及其抗輻照性能。

2. 芯片技術背景與應用需求

2.1 CANFD協議的航天應用

CANFD協議是傳統CAN協議的擴展版本，支持更高的數據速率（最高8Mbps）和更大的數據負載（最多64字節）。其在航天領域的應用主要集中在衛星通信系統、星載計算機網絡以及空間探測器的數據傳輸中。相比傳統CAN協議，CANFD在數據傳輸效率和實時性方面的提升顯著，能夠滿足現代航天任務對高速數據傳輸的需求。

2.2 空間環境對電子器件的挑戰

空間環境中的高能粒子輻照是影響電子器件可靠性的主要因素之一。總劑量效應（TID）會導致器件參數的長期退化，而單粒子效應（SEE）則可能引發瞬時功能故障或永久性損壞。因此，抗輻照能力成為航天級電子器件的關鍵性能指標。

2.3 ASM1042S2S芯片的研發背景

為了滿足國內航天領域對高性能、抗輻照CANFD通信芯片的需求，國科安芯研制了ASM1042S2S芯片。該芯片不僅在設計上實現了與國際主流產品的兼容性，還通過了多項抗輻照試驗驗證，展現了良好的空間環境適應性。

3. 總劑量輻照效應試驗

3.1 試驗背景與目的

總劑量效應（Total Ionizing Dose, TID）是指電子器件在長期累積輻照下性能逐漸退化的現象。空間環境中的高能γ射線和X射線是總劑量效應的主要來源。為了驗證ASM1042S2S芯片在總劑量輻照下的可靠性，試驗依據GJB548C-2023和QJ10004A-2018標準，采用鈷60γ射線源進行輻照。

3.2 試驗方法與條件

試驗中，輻照劑量率為25rad(Si)/s，總劑量分別為100krad(Si)和150krad(Si)。試驗環境溫度為24℃±6℃，樣品在輻照前后均進行了電參數和功能測試。測試項目包括顯性功耗、隱性功耗、環路延時、輸出電壓對稱性等。

3.3 試驗結果與分析

試驗結果顯示，在輻照劑量達到150krad(Si)后，ASM1042S2S芯片的電參數和功能均未出現明顯變化。退火后，芯片的性能和外觀均符合設計要求。這表明芯片在總劑量輻照環境下具有優異的抗輻照能力。與同類芯片相比，ASM1042S2S在總劑量輻照下的性能表現更為穩定，能夠滿足商業航天級應用的需求。

4. 重離子單粒子效應試驗

4.1 試驗背景與目的

單粒子效應（Single Event Effect, SEE）是空間環境中高能粒子（如重離子、質子）與器件敏感區相互作用引發的瞬時或永久性故障。常見的單粒子效應包括單粒子鎖定（SEL）、單粒子翻轉（SEU）和單粒子功能中斷（SEFI）。為了評估ASM1042S2S芯片的抗SEE能力，試驗依據QJ10005A-2018標準進行。

4.2 試驗方法與條件

試驗采用Ge離子束，LET值為37.4MeV·cm2/mg，注量為1×10? ion/cm2。試驗過程中，實時監測芯片的工作電流和功能狀態，測試內容包括通信數據收發準確性及電流變化。

4.3 試驗結果與分析

試驗結果顯示，在LET值為37.4MeV·cm2/mg的輻照條件下，ASM1042S2S芯片未發生SEL或SEU現象。其SEL和SEU閾值均大于37.4MeV·cm2/mg，表明芯片在單粒子效應方面具有較高的抗敏感性。與同類芯片相比，ASM1042S2S在高LET值條件下的表現更為優異。

5. 質子單粒子效應試驗

5.1 試驗背景與目的

質子輻照是空間環境中的另一種重要威脅。質子單粒子效應試驗旨在驗證芯片在質子輻照環境下的抗輻照能力。

5.2 試驗方法與條件

試驗依據GJB548B標準，采用100MeV質子束，注量率為1×10? ion/cm2，總注量為1×101? ion/cm2。試驗過程中實時監測芯片的工作狀態，測試內容包括功能正常性和參數變化。

5.3 試驗結果與分析

試驗結果顯示，在100MeV質子輻照下，ASM1042S2S芯片功能正常，未出現單粒子效應。這表明芯片在質子輻照環境下具有優異的抗輻照能力。與同類芯片相比，ASM1042S2S在質子輻照下的性能表現更為穩定。

6. 脈沖激光單粒子效應試驗

6.1 試驗背景與目的

脈沖激光單粒子效應試驗通過模擬高能粒子的線性能量轉移（LET）效應，進一步驗證芯片在單粒子環境下的抗干擾能力。

6.2 試驗方法與條件

試驗依據GB/T43967-2024標準，采用皮秒脈沖激光器，LET值范圍為5至100MeV·cm2/mg。試驗過程中實時記錄芯片的工作電流、功能狀態及激光能量掃描結果。

6.3 試驗結果與分析

試驗結果顯示，ASM1042S2S芯片在LET值為100MeV·cm2/mg的輻照條件下未出現單粒子效應。這表明芯片在高LET值輻照環境下具有較高的抗干擾能力。

7. 在軌應用實證

7.1 應用背景

ASM1042S2S芯片已在地質遙感智能小衛星TY29（天儀29星）和光學遙感衛星TY35（天儀35星）中搭載應用。這兩顆衛星分別于2025年5月發射，主要用于高光譜地質遙感和光學圖像采集。

7.2 在軌表現

在軌運行數據顯示，芯片在空間環境中表現出優異的抗輻照性能，其通信速率穩定在5Mbps，功耗性能符合設計要求。芯片在高能粒子環境下的長期運行表現驗證了其實用性和可靠性。

7.3 應用分析

7.3.1 地質遙感領域

在地質遙感智能小衛星TY29中，ASM1042S2S芯片用于高光譜地質遙感數據的傳輸。高光譜遙感數據通常具有高數據量和高實時性要求，芯片的高數據速率和穩定性確保了數據的高效采集與傳輸。

7.3.2 光學遙感領域

在光學遙感衛星TY35中，芯片用于光學圖像數據的傳輸。光學遙感圖像數據對傳輸的可靠性和準確性要求極高，芯片的抗輻照性能確保了數據傳輸的穩定性，尤其是在復雜的空間輻射環境下。

7.3.3 商業航天應用

芯片的抗輻照能力和低功耗特性使其在商業航天領域具有廣泛應用前景。其國產化設計降低了對進口器件的依賴，為我國商業航天發展提供了重要支持。

8. 芯片性能測試

8.1 測試環境與設備

測試環境包括穩壓電源、信號發生器、示波器、萬用表以及CAN分析儀等設備。所有設備均在檢定有效期內，確保了測試數據的準確性。

8.2 測試項目與結果

芯片性能測試包括對稱性測試、低功耗喚醒測試、功耗性能測試、開關性能測試、ESD測試、高低溫測試以及多節點通信測試。測試結果顯示，芯片在常溫、高溫（125℃）及低溫（-55℃）環境下均能正常工作，且在25節點多節點通信測試中未出現數據傳輸錯誤。關鍵性能指標如功耗、延時、輸出電壓對稱性等均優于設計要求。

8.3 性能測試的學術意義

芯片性能測試不僅驗證了其在復雜環境下的可靠性，還為其在多節點通信系統中的應用提供了數據支持。測試結果表明，ASM1042S2S芯片能夠滿足高安全應用場景（如機器人、工業控制和醫療設備）的需求。

9. 結論與展望

ASM1042S2S芯片是一款具有優異抗輻照性能的國產化CANFD通信接口芯片。其在總劑量輻照、單粒子效應、質子輻照以及脈沖激光輻照試驗中均表現出較高的抗干擾能力，同時在軌運行數據驗證了其在空間環境下的可靠性和穩定性。未來，隨著商業航天和遙感技術的發展，ASM1042S2S芯片有望在更多任務中發揮重要作用，為我國航天電子器件的國產化進程提供支持。

審核編輯 黃宇