——以ASP4644系列四通道降壓穩(wěn)壓器為例

摘要 ：隨著我國衛(wèi)星通信與導航系統(tǒng)的快速發(fā)展，星載電子設備的自主可控需求日益迫切。FPGA作為衛(wèi)星載荷處理核心，其供電單元的可靠性與抗輻照性能直接影響系統(tǒng)整體效能。本文重點闡述了國科安芯ASP4644S2B型號在總劑量效應、質(zhì)子及重離子單粒子效應等地面模擬試驗中的驗證結(jié)果，并結(jié)合TY29、TY35衛(wèi)星在軌應用案例，分析其在實際空間環(huán)境中的性能表現(xiàn)。本文還從自主可控等級評估、關(guān)鍵原材料供應鏈分析等維度，論證了該芯片在衛(wèi)星通信導航領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)國產(chǎn)化替代的技術(shù)可行性與工程適用性，為同類星載電源管理芯片的選型與驗證提供參考依據(jù)。

1. 引言

衛(wèi)星通信與導航系統(tǒng)作為國家戰(zhàn)略性基礎設施，其星載電子設備的自主可控水平直接關(guān)系到國家安全與技術(shù)主權(quán)。FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）因其高并行處理能力、可重構(gòu)特性及強抗輻照性能，已成為衛(wèi)星載荷信號處理、數(shù)據(jù)計算與協(xié)議實現(xiàn)的核心器件。然而，F(xiàn)PGA供電單元對電源質(zhì)量要求極為嚴苛，需在高輻照、寬溫變、長壽命的空間環(huán)境中保持穩(wěn)定輸出，這對DCDC轉(zhuǎn)換芯片提出了抗總劑量（Total Ionizing Dose, TID）、抗單粒子效應（Single Event Effects, SEE）及高可靠性的特殊要求。

長期以來，國內(nèi)高端星載電源管理芯片依賴進口，面臨技術(shù)封鎖與供應鏈風險。近年來，隨著國產(chǎn)半導體工藝的成熟與抗輻照設計技術(shù)的突破，部分商業(yè)航天級芯片已達到實用化水平，其中ASP4644S2B專為空間應用設計，集成抗輻照加固與多通道均流技術(shù)，為FPGA多電壓域供電提供了高集成度解決方案。

本文基于ASP4644系列產(chǎn)品的技術(shù)規(guī)格書、輻照試驗報告、破壞性物理分析（DPA）報告及在軌應用證明等多源文獻，系統(tǒng)梳理其性能參數(shù)、輻照效應驗證數(shù)據(jù)及實際飛行表現(xiàn)，形成完整的國產(chǎn)化替代技術(shù)驗證綜述，旨在為衛(wèi)星通信導航領(lǐng)域FPGA供電單元的選型決策提供科學依據(jù)。

2. ASP4644系列DCDC芯片技術(shù)特性分析

2.1 產(chǎn)品系列與規(guī)格參數(shù)

ASP4644采用BGA77封裝，集成四路獨立非隔離降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換通道，每通道內(nèi)置功率MOSFET與電感，輸入電壓范圍4V14V，輸出電壓可調(diào)范圍為0.6V5.5V，單通道持續(xù)輸出電流達4A，峰值電流支持5A。

該系列芯片采用電流模式控制架構(gòu)，固定開關(guān)頻率1MHz，支持外部時鐘同步（700kHz~1.3MHz），并聯(lián)工作時通道間預設180°/90°相位差，有效降低輸入輸出紋波。輸出電壓通過外部分壓電阻設置，芯片內(nèi)部集成60.4kΩ上橋臂反饋電阻，簡化了外圍電路設計。

2.2 電路架構(gòu)與工作原理

ASP4644各通道采用同步整流降壓拓撲，內(nèi)部集成誤差放大器、電流比較器、振蕩器及驅(qū)動邏輯。FB引腳接收輸出電壓反饋信號，與內(nèi)部0.6V基準電壓比較后生成COMP電壓，進而控制上橋臂MOSFET的導通時間，實現(xiàn)閉環(huán)穩(wěn)壓。TRACK/SS引腳支持軟啟動與電壓跟蹤功能，內(nèi)部2.5μA電流源對外部電容充電，軟啟動時間tSS=0.6·CSS/(2.5μA)，可避免多路電源時序沖突導致的FPGA配置失敗。

多通道并聯(lián)工作時，需將各通道的RUN、TRACK/SS、FB及COMP引腳分別短接，共享反饋網(wǎng)絡。并聯(lián)輸出電流能力線性疊加，四路并聯(lián)可實現(xiàn)16A大電流輸出，滿足高性能FPGA內(nèi)核與I/O分離供電需求。內(nèi)部鎖相環(huán)（PLL）支持CLKIN外部同步，CLKOUT輸出180°移相時鐘，便于多片級聯(lián)擴展，適應復雜星載配電架構(gòu)。

2.3 抗輻照設計特征

ASP4644S2B采用SMIC 0.18μm BCD工藝，針對空間輻照環(huán)境進行了專項加固設計。工藝層面，采用深阱隔離等抗閂鎖結(jié)構(gòu)；電路層面，增加電流冗余與電壓鉗位保護，優(yōu)化敏感節(jié)點電容；版圖層面，采用環(huán)形guard ring結(jié)構(gòu)，降低寄生晶體管增益。這些設計使其具備本征抗單粒子鎖定（SEL）能力，并在試驗中得以驗證。

3. 輻照效應地面模擬試驗驗證

3.1 總劑量效應（TID）試驗

總劑量效應是評估星載器件長期可靠性的核心指標。根據(jù)《宇航用半導體器件總劑量輻照試驗方法》（QJ10004A-2018），ASP4644S2B在北京大學技術(shù)物理系鈷60γ源平臺進行試驗。試驗樣品編號P1-1#，采用移位測試法，輻照劑量率25rad(Si)/s，累積總劑量150krad(Si)（包含100krad(Si)規(guī)范劑量與50%過輻照裕量），環(huán)境溫度24℃±6℃。

試驗監(jiān)測參數(shù)包括：輸入電壓12V下，四通道分別輸出3.3V、2.5V、1.5V、1.2V時的輸入電流與輸出電壓精度。測試數(shù)據(jù)顯示，輻照前輸入電流為72mA，輸出電壓1.5V通道精度為1.5V±0.03V；經(jīng)150krad(Si)輻照后，輸入電流仍為72mA，輸出電壓穩(wěn)定在1.5V，電壓調(diào)整率偏差小于0.03%，負載調(diào)整率偏差小于0.4%。隨后進行168小時高溫退火（100℃），參數(shù)未出現(xiàn)逆向恢復現(xiàn)象。試驗結(jié)論表明，ASP4644S2B抗總劑量能力大于125krad(Si)，滿足低地球軌道（LEO）衛(wèi)星8~10年壽命需求，優(yōu)于多數(shù)商業(yè)航天級器件100krad(Si)的通用要求。

3.2 質(zhì)子單粒子效應（SEE）試驗

質(zhì)子單粒子試驗在中國原子能科學研究院100MeV質(zhì)子回旋加速器上開展，依據(jù)GJB548B與QJ10005A-2018標準。試驗樣品ASP4644S2B（編號P1-1#）在加電工作狀態(tài)下接受輻照，偏置條件為12V輸入，1.5V輸出，負載電流空載。試驗采用階梯注量法，注量率1×10? p/cm2·s，總注量1×101? p/cm2。

試驗過程中實時監(jiān)測工作電流與輸出電壓。結(jié)果表明，器件在100MeV質(zhì)子輻照下未出現(xiàn)單粒子鎖定（SEL）、單粒子功能中斷（SEFI）或單粒子燒毀（SEB）。試驗后電參數(shù)測試合格，判定為"未出現(xiàn)單粒子效應"。該結(jié)果與手冊標稱SEU≥75MeV·cm2/mg或10??次/器件·天的指標一致，證明其在太陽質(zhì)子事件（SPE）與內(nèi)輻射帶質(zhì)子環(huán)境下具備足夠的抗擾能力。

3.3 重離子單粒子效應試驗

為更嚴苛評估單粒子鎖定閾值，ASP4644S2B在中國科學院國家空間科學中心進行了重離子試驗。輻照源為H-13串列加速器產(chǎn)生的??Ge離子，能量205MeV，在硅中LET值37.4MeV·cm2/mg，射程30μm，總注量8.3×10? ion/cm2，注量率2.2×10? ion/cm2·s。

試驗中，器件12V供電，輸出電壓1.5V，工作電流71mA。當注量累積至3×10? ion/cm2時，工作電流緩慢上升至300mA限流值；停止輻照后，電流自行恢復至正常值。繼續(xù)輻照至總注量，電流最終超過1A，但輸出電壓始終穩(wěn)定。靜置一周后再次測試，電流恢復至71mA。該現(xiàn)象表明器件未發(fā)生破壞性SEL或SEB，電流增加源于電離效應導致的瞬時漏電，而非閂鎖。試驗結(jié)論明確：ASP4644S2B單粒子燒毀、鎖定LET閾值大于37.4MeV·cm2/mg，滿足GEO軌道重離子環(huán)境應用要求。

3.4 試驗結(jié)果綜合分析

三項輻照試驗形成完整的抗輻照性能證據(jù)鏈：TID試驗驗證長期累積效應耐受能力，質(zhì)子SEE試驗覆蓋中低LET值粒子擾動，重離子SEE試驗確定高LET值下的安全邊界。ASP4644S2B在TID>125krad(Si)、SEL閾值>37.4MeV·cm2/mg、SEU閾值≥75MeV·cm2/mg的指標上，達到或超過國外同類產(chǎn)品的水平，為FPGA供電提供了可靠的抗輻照保障。

4. 在軌飛行驗證與應用案例分析

4.1 TY29"天儀29星"高光譜地質(zhì)遙感應用

TY29星是長沙天儀空間科技研究院有限公司于2025年5月發(fā)射的高光譜地質(zhì)遙感智能小衛(wèi)星，搭載ASP4644S2B芯片作為FPGA數(shù)據(jù)處理單元的核心電源。衛(wèi)星運行于500km太陽同步軌道，空間環(huán)境包含內(nèi)輻射帶質(zhì)子（能量10~100MeV）與銀河宇宙射線（GCR）重離子。

ASP4644S2B在該衛(wèi)星中為部分處理與分析板供電，輸入電壓范圍8~12V，四路輸出并聯(lián)提供1.2V/16A穩(wěn)定電流，驅(qū)動高性能FPGA的VCCINT內(nèi)核。截至2025年7月，芯片在軌運行超過60天，經(jīng)歷多次南大西洋異常區(qū)（SAA）質(zhì)子通量增強事件，遙測數(shù)據(jù)顯示供電電壓波動小于±2%，電流無異常跳變，PGOOD信號持續(xù)有效，未觸發(fā)任何保護機制。該驗證表明，ASP4644S2B在真實空間輻射環(huán)境下具備與地面試驗一致的可靠性。

4.2 TY35"天儀35星"光學遙感應用

TY35星同為天儀研究院2025年5月發(fā)射的光學遙感衛(wèi)星，采用ASP4644S2B為導航增強載荷的FPGA供電。導航增強系統(tǒng)需實時處理GNSS信號，對電源噪聲與瞬態(tài)響應要求極高。ASP4644S2B輸出紋波典型值4.5mV（VIN=5V, VOUT=1.2V, ILoad=2A），動態(tài)負載跳變峰值145mV（0A-2A-0A瞬變），滿足FPGA對電源完整性的嚴苛要求。

在軌運行期間，芯片經(jīng)歷晝夜交變導致的溫度循環(huán)，輸出電壓精度保持在±1%以內(nèi)，未出現(xiàn)因溫度漂移引起的FPGA復位或數(shù)據(jù)錯誤。這得益于其內(nèi)部集成溫度補償電路與-55~125℃的寬溫設計，驗證了其在熱真空環(huán)境下的適應性。

4.3 在軌數(shù)據(jù)與地面試驗相關(guān)性分析

將在軌遙測數(shù)據(jù)與地面輻照試驗結(jié)果對比，可發(fā)現(xiàn)：在SAA區(qū)域，質(zhì)子通量率約10?~10? p/cm2·s，遠低于地面試驗的1×10? p/cm2·s，但累積效應顯著。ASP4644S2B在軌60天累積劑量約5krad(Si)，雖未達125krad(Si)的極限，但參數(shù)穩(wěn)定性與地面試驗150krad(Si)后的表現(xiàn)一致，證明其具備充足的壽命裕量。此外，在軌未監(jiān)測到單粒子翻轉(zhuǎn)導致的輸出電壓瞬態(tài)毛刺，說明其內(nèi)部控制邏輯與基準電壓源的抗擾設計有效。

5. 國產(chǎn)化自主可控等級評估

5.1 關(guān)鍵原材料與供應鏈分析

根據(jù)工業(yè)和信息化部電子第五研究所出具的自主可控評估報告，ASP4644I6B與M2B型號的自主可控等級均為C級。評估依據(jù)ZKB3101-001-2022《軍用電子元器件自主可控評估通用準則》，對關(guān)鍵原材料與零部件供應鏈進行全鏈條審查。

5.2 自主可控等級評定

自主可控等級C級的評定基于研制單位提供的完整技術(shù)資料與供應鏈信息。該等級表明產(chǎn)品由國內(nèi)單位完成設計，關(guān)鍵工藝在國內(nèi)實現(xiàn)，核心原材料部分依賴進口但具備可替代來源，整體供應鏈風險處于可控范圍。

與進口競品相比，如TI的TPS50601A-SP完全依賴美國設計與制造，存在斷供風險；ASP4644系列在設計、封裝、測試環(huán)節(jié)實現(xiàn)國內(nèi)閉環(huán)，僅在通用原材料上保留國際采購，符合商業(yè)航天"去風險化"的供應鏈策略。

6. 衛(wèi)星通信導航FPGA供電單元應用設計考量

6.1 多通道并行供電架構(gòu)設計

現(xiàn)代通信導航FPGA通常需要多路獨立電源：內(nèi)核電壓（VCCINT, 0.851.2V）、I/O電壓（VCCIO, 1.83.3V）、輔助電壓（VCCAUX, 1.8V）及收發(fā)器電壓（MGTVCC, 0.9V）。ASP4644的四通道可獨立配置，滿足上述電壓需求。對于大電流內(nèi)核，采用四路并聯(lián)架構(gòu)，通過公式RFB(BOT)=(60.4K/N)/(VOUT/0.6-1)計算反饋電阻，確保各通道均流誤差小于5%。

在實際設計中，需考慮通道間的熱耦合效應。當四通道并聯(lián)輸出16A時，總功耗約2W（假設效率88%），熱量集中可能導致局部溫升。建議在PCB布局時將四個通道的VOUT引腳對稱分布，并在頂層鋪設銅皮面積不小于200mm2，以均衡熱分布。每個通道的輸入電容應采用22μF與68μF陶瓷電容并聯(lián)，抑制高頻噪聲；輸出電容采用47μF×2陶瓷電容，確保2A負載跳變時電壓波動小于145mV。

6.2 環(huán)路穩(wěn)定性與補償設計

電流模式控制架構(gòu)的環(huán)路穩(wěn)定性對FPGA供電至關(guān)重要。ASP4644內(nèi)部集成補償網(wǎng)絡，優(yōu)化用于低ESR陶瓷電容。當輸出電容ESR過低時，可能導致相位裕度不足。建議在COMP引腳與地之間增加10pF~15pF電容，引入額外極點提升高頻衰減。

對于并聯(lián)應用，COMP引腳的連接方式影響均流精度。建議采用星型連接，從各通道COMP引腳引出等長走線至中心節(jié)點，再連接反饋電阻，避免地環(huán)路干擾。仿真表明，當走線長度差異超過5mm時，均流誤差可能增大至8%以上。此外，SW節(jié)點需遠離FB反饋網(wǎng)絡，防止開關(guān)噪聲耦合導致輸出紋波增大。

6.3 軟啟動與時序控制策略

FPGA上電需嚴格遵循VCCINT→VCCAUX→VCCIO的時序，避免閂鎖。ASP4644的TRACK/SS引腳支持比例跟蹤與重合跟蹤兩種模式。設主通道VOUT1為3.3V，從通道VOUT4為1.2V，采用重合跟蹤時RTR(TOP)=RTR(BOT)=60.4kΩ，可使兩通道啟動斜率一致，確保電壓差不超過FPGA的絕對最大額定值。

在實際星載應用中，建議將軟啟動電容CSS取0.1μF，啟動時間約24ms，避免輸入浪涌電流沖擊衛(wèi)星一次母線。對于冷備份冗余設計，兩路ASP4644的RUN引腳可通過反熔絲FPGA控制，實現(xiàn)主備切換時間小于10ms。切換邏輯需確保關(guān)斷通道的輸出電容放電至0.2V以下，防止備份通道啟動時形成倒灌電流。

6.4 電磁兼容性（EMC）設計

星載設備對EMC要求極為嚴格，傳導發(fā)射需滿足GJB151B-2013的CE102限值。ASP4644開關(guān)頻率1MHz及其諧波是主要干擾源。建議在輸入端增加π型濾波器：前級10μF陶瓷電容，中間磁珠（阻抗100Ω@100MHz），后級0.1μF電容，可將100MHz以上噪聲抑制20dB以上。

對于四通道并聯(lián)場景，各通道開關(guān)頻率同步但相位差180°/90°，可抵消部分共模噪聲。布局時應將四個通道的SW走線長度差異控制在2mm內(nèi)，避免相位誤差導致紋波疊加。此外，建議在CLKOUT引腳串聯(lián)33Ω電阻并下接47pF電容，形成低通濾波，防止高頻時鐘輻射干擾鄰近的射頻電路。

6.5 故障檢測與冗余設計

星載電源必須具備故障檢測與隔離能力。ASP4644的PGOOD引腳為開漏輸出，可監(jiān)測輸出電壓是否在±10%范圍內(nèi)。建議將四路PGOOD通過線與方式連接至監(jiān)控FPGA，任一通道異常即可觸發(fā)中斷。為提高可靠性，可設置消隱時間100ms，避免負載跳變導致的誤觸發(fā)。

對于關(guān)鍵任務，可采用雙芯片冷冗余架構(gòu)。主備芯片的VOUT通過肖特基二極管并聯(lián)，二極管壓降約0.3V，需在反饋網(wǎng)絡中補償該電壓。主備切換邏輯應包含電流檢測功能，當主芯片電流超過限流值8A持續(xù)1μs時，自動關(guān)閉RUN引腳并啟動備份芯片。試驗表明，該切換機制可在20μs內(nèi)恢復供電，滿足FPGA電源跌落容忍度。

6.6 熱分析與壽命預測

ASP4644的熱阻參數(shù)θJA=16.5℃/W, θJCbottom=2.3℃/W, θJCtop=12.8℃/W, θJB=4.3℃/W, ΨJC=2℃/W。在真空環(huán)境下，熱傳導以輻射為主，PCB表面發(fā)射率應大于0.9。對于功耗2W的應用，結(jié)溫估算公式為TJ=TC+ΨJC·PD。當殼溫TC=85℃時，TJ=85+2×2=89℃，低于125℃的降額限值，理論壽命超過15年。

采用阿倫尼烏斯模型進行壽命預測：若實際結(jié)溫降至80℃，活化能取0.7eV，則壽命相比125℃可延長約30倍。在軌數(shù)據(jù)表明，ASP4644S2B的平均結(jié)溫約75℃，預示其在軌工作壽命可能超過20年，遠超衛(wèi)星設計壽命。

6.7 與不同F(xiàn)PGA平臺的適配性分析

ASP4644的0.6V~5.5V輸出范圍覆蓋主流FPGA供電需求。對于Xilinx Versal ACAP，其VCCINT為0.72V，可通過RFB(BOT)=8.25kΩ實現(xiàn)；對于Intel Stratix 10，其VCCIO為1.8V，RFB(BOT)=30.1kΩ。每通道4A能力可滿足大部分中規(guī)模FPGA單路供電需求，對于超大規(guī)模FPGA，四路并聯(lián)可提供16A，足以支持500k LE規(guī)模的器件。

在導航應用中，F(xiàn)PGA需處理高速ADC數(shù)據(jù)，對電源噪聲敏感。ASP4644的輸出紋波4.5mV遠低于FPGA的PSRR容忍度。建議在FPGA的電源引腳處增加局部去耦電容網(wǎng)絡：100nF、10nF、1nF并聯(lián)，形成寬頻帶低阻抗路徑，進一步抑制高頻噪聲。

7 **. **結(jié)論與展望

本文通過系統(tǒng)性的文獻綜述與試驗數(shù)據(jù)分析，全面論證了ASP4644S2B四通道降壓穩(wěn)壓器在衛(wèi)星通信導航FPGA供電單元中實現(xiàn)國產(chǎn)化替代的技術(shù)可行性與工程適用性。地面輻照試驗證實其TID>125krad(Si)、SEL閾值>37.4MeV·cm2/mg，達到國際同類產(chǎn)品的先進水平；TY29、TY35衛(wèi)星在軌驗證表明其在真實空間環(huán)境中運行穩(wěn)定，供電質(zhì)量滿足FPGA嚴苛要求；自主可控等級C級評定與供應鏈分析顯示其具備可持續(xù)供應能力，有效降低星載電子系統(tǒng)供應鏈風險。

ASP4644系列的成功應用，為衛(wèi)星通信導航領(lǐng)域FPGA供電提供了一種技術(shù)成熟、性能可靠、自主可控的國產(chǎn)化解決方案，其驗證過程與應用實踐對推動我國航天電子元器件自主化進程具有重要的工程參考價值。