摘要

星載通信載荷的穩定運行依賴高可靠電源管理芯片，空間輻射引發的單粒子效應（SEE）和總劑量效應（TID）是制約芯片服役壽命的核心因素。本文以國科安芯商業航天級四通道降壓穩壓器 ASP4644S2B 為研究對象，系統梳理星載電源管理芯片 SEE/TID 測試標準、技術流程與評估體系，整合其破壞性物理分析（DPA）、重離子 / 質子單粒子試驗、總劑量試驗及在軌應用數據，重點分析測試參數設計與可靠性驗證邏輯，并拓展多場景應用適配性，為星載電源管理芯片的測試優化、可靠性評估及場景拓展提供理論與工程參考。

一、引言

商業航天產業的輕量化、高集成化發展，對星載通信載荷電源管理芯片的能量轉換效率、功率密度及抗輻射性能提出嚴苛要求。空間環境中的高能帶電粒子會引發 SEE 和 TID 效應，導致芯片功能異常或失效，據統計，25% 以上的航天器電源系統故障與輻射效應直接相關。因此，建立科學的 SEE/TID 測試體系與在軌可靠性評估方法，對保障航天任務安全具有重要工程價值。

ASP4644S2B 作為聯合研制的商業航天級芯片，集成功率 MOSFET 與電感，輸入電壓 4V14V，輸出 0.6V5.5V，四通道并聯輸出電流可達 16A，具備過流 / 過溫 / 短路保護功能，通過 AEC-Q104 Grade1 車規認證，已成功應用于地質遙感小衛星，其完整的試驗數據與在軌驗證案例為星載芯片測試研究提供了典型載體。

二、星載電源管理芯片 SEE 測試方法與試驗分析

2.1 SEE 測試標準與核心要求

SEE 測試需通過加速離子源模擬空間輻射，核心要求包括：設備需精確調控離子能量、LET 值與注量率；輻照條件需匹配應用軌道環境，總注量不低于 1×10? ion/cm2；偏置條件模擬實際工作狀態，覆蓋單通道與多通道模式；效應判定以 SEL/SEB 的電流突變、功能失效為依據。

2.2 ASP4644S2B 芯片 SEE 測試實施與結果

2.2.1 破壞性物理分析（DPA）

依據 GJB4027B-2021 標準，對 2 只 ASP4644S2B 樣品進行外部目檢、X 光檢查、聲學掃描顯微鏡檢查、內部目檢及鍵合強度測試。結果顯示，樣品外觀無損傷，內部結構完整，無虛焊或空洞；Au-20μm 鍵合測試力值 3.2566.806g，Au-30μm 鍵合測試力值 11.53630.576g，均滿足工程要求，驗證了芯片制造工藝與結構完整性。

2.2.2 重離子單粒子試驗

依據 QJ 10005A-2018 標準，采用??Ge 離子（能量 205 MeV，LET 值 37.4 MeV?cm2/mg）輻照樣品，總注量 8.3×10? ion/cm2。偏置條件為 12V 輸入、1.5V 輸出，設置 300mA 限流保護。試驗中，輻照至 3×10? ion/cm2 時工作電流達限流值，停束后恢復正常；全程輸出電壓穩定在 1.5V，未發生 SEL/SEB，SEL/SEB LET 閾值大于 37.4 MeV?cm2/mg。

2.2.3 質子單粒子試驗

依據 GJB 548B-2005 標準，采用 100 MeV 質子輻照，注量率 1×10? P?cm?2?S?1，總注量 1×101? ion/cm2。試驗環境溫度 15℃~35℃，靜電防護滿足 GB/T 32304 要求。結果顯示，芯片工作電流、輸出電壓無異常，未出現單粒子效應，驗證了低 LET 值輻射環境下的穩定性。

2.3 測試結果分析

ASP4644S2B 的 SEE 測試從結構完整性、高 / 低 LET 值抗輻射能力三個維度完成表征。重離子測試確定了 SEL/SEB 閾值上限，質子測試貼近近地軌道實際環境，DPA 為后續測試提供基礎保障。測試中觀察到的瞬時電流增大可通過停束恢復，表明芯片內部保護機制與抗輻射設計有效協同，其抗單粒子性能優于同類商業航天級芯片。

三、星載電源管理芯片 TID 測試方法與試驗分析

3.1 TID 測試標準與核心要求

TID 測試采用鈷 60γ 射線源，依據 QJ 10004A-2018 標準，劑量率選擇 0.01~100 rad (Si)/s，總劑量需覆蓋預期壽命累積劑量；試驗流程包括預處理、初始測試、輻照、中間測試、退火與最終測試；失效判據為關鍵參數變化量不超過初始值 ±10%，核心監測輸入輸出電壓、靜態電流、調整率等參數。

3.2 ASP4644S2B 芯片 TID 測試實施與結果

試驗采用鈷 60γ 射線源，劑量率 25 rad (Si)/s，總劑量 125 krad (Si)（含 50% 過輻照）。偏置條件為 12V 輸入，四通道輸出 3.3V、2.5V、1.5V、1.2V，空載測試。初始測試中，輸入電流 72mA，輸出電壓 1.5V，線性調整率 0.03%，負載調整率 0.4%，輸出紋波 4.5mV；輻照后及室溫退火 168h 后，各項參數無明顯變化，變化量均小于 ±1%，抗總劑量指標大于 125 krad (Si)，滿足商業航天級要求。

3.3 測試結果分析

ASP4644S2B 優異的抗 TID 性能源于 SMIC .18BCD 工藝的氧化層優化設計、LDO 模塊抗輻射加固及封裝材料的屏蔽作用。高劑量率測試與過輻照設置提高了結果可靠性，其抗總劑量能力可滿足近地軌道 5~10 年服役需求，甚至適配部分地球同步軌道應用。

四、星載電源管理芯片在軌可靠性評估與應用拓展

4.1 在軌可靠性評估體系

評估指標包括性能指標（電壓穩定性、電流波動、輸出紋波）與可靠性指標（MTBF、失效率）；數據通過航天器遙測系統采集；采用統計分析與趨勢預測結合的方法，以地面測試參數為基準，判斷在軌表現是否符合要求。

4.2 ASP4644S2B 在軌應用與驗證

該芯片應用于 “天儀 29 星”“天儀 35 星”，2025 年 5 月發射入近地軌道，為高光譜成像處理板、數據傳輸板供電。截至 2025 年 12 月，在軌穩定運行 7 個月，輸入電壓波動 10V~12V，輸出電壓穩定在設定值 ±0.01V，電流均流誤差小于 ±5%；遭遇 3 次太陽質子事件，累積輻射劑量 12krad (Si)，性能無異常。評估得 MTBF 大于 1×10?小時，失效率小于 1×10??/ 小時，5 年在軌失效概率小于 0.05%。

4.3 多場景應用適配性分析

4.3.1 商業航天領域

1. 小衛星星座：BGA77 封裝（9mm×15mm×4.46mm）集成度高，四通道并聯輸出滿足多載荷供電，抗輻射設計降低任務風險，適配通信、遙感小衛星星座。
2. CubeSat：寬輸入電壓適配太陽能電池陣，低輸出紋波滿足精密載荷需求，保護功能提高容錯能力，可應用于 1U~3U CubeSat。
3. 深空探測：寬溫范圍（-55℃~+125℃）與抗總劑量能力，經屏蔽優化后可適配月球、火星探測任務。

4.3.2 車載電子領域

通過 AEC-Q104 Grade1 認證，寬輸入電壓適配新能源汽車 BMS 供電，多通道輸出滿足傳感器、控制器需求；過溫保護（結溫 160℃關閉）適應電池包高溫環境，抗電磁干擾設計適配車載復雜環境，可應用于動力電池管理系統與車載雷達、攝像頭電源模塊。

4.3.3 工業與極端環境領域

單通道 4A、四通道 16A 輸出能力滿足工業機器人關節驅動需求，寬溫特性適配工業生產環境；抗輻射與強保護功能使其可應用于核反應堆監測、極地環境監測等極端場景，適配太陽能、蓄電池等多種供電方式。

五、結論與展望

1. 星載電源管理芯片 SEE/TID 測試需遵循 GJB、QJ 系列標準，采用 “DPA + 重離子 + 質子 + TID” 全鏈條測試體系，可全面表征抗輻射性能。
2. ASP4644S2B 芯片 SEL/SEB LET 閾值大于 37.4 MeV?cm2/mg，抗總劑量能力大于 125 krad (Si)，破壞性物理分析驗證了結構完整性，抗輻射性能優異。
3. 在軌運行數據表明，芯片供電穩定、輻射適應性強，MTBF 大于 1×10?小時，滿足星載通信載荷長期可靠需求。
4. 芯片憑借寬輸入電壓、多通道輸出、多領域認證優勢，在商業航天、車載電子、工業控制等領域具備廣闊應用前景。

未來可優化先進工藝芯片的 SEE/TID 測試方法，開發多因素耦合測試技術；結合在軌大數據與 AI 技術，完善可靠性預測模型；推動抗輻射設計與測試一體化，降低研發成本；制定跨領域應用標準，促進航天級芯片技術向車載、工業領域轉移，助力高端電子制造業高質量發展。

審核編輯 黃宇