在現(xiàn)代航天技術(shù)領(lǐng)域，電子設(shè)備的可靠性和抗輻射能力至關(guān)重要。隨著航天任務(wù)的復(fù)雜性和重要性不斷增加，對(duì)于電子元件的要求也在不斷提高。本文通過(guò)對(duì)ASM1042S2S CANFD收發(fā)器的質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)以及在軌性能表現(xiàn)的詳細(xì)分析，全面闡述其在高能粒子環(huán)境下的穩(wěn)定性和可靠性，為該型號(hào)收發(fā)器在航天領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。本文還通過(guò)與其他抗輻照芯片的性能對(duì)比分析，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了ASM1042S2S在航天電子系統(tǒng)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

一、引言

在空間環(huán)境的復(fù)雜輻射條件下，電子元件可能會(huì)受到單粒子效應(yīng)（Single Event Effects, SEE）的影響而導(dǎo)致功能異常、數(shù)據(jù)錯(cuò)誤甚至永久性損壞。單粒子效應(yīng)主要由高能粒子（如質(zhì)子、重離子）與半導(dǎo)體器件相互作用引起。為了確保航天電子系統(tǒng)在軌運(yùn)行的可靠性，對(duì)關(guān)鍵電子元件進(jìn)行單粒子效應(yīng)試驗(yàn)具有重要意義。ASM1042S2S作為一款面向航天應(yīng)用的高性能CANFD收發(fā)器，其設(shè)計(jì)初衷是滿(mǎn)足高速數(shù)據(jù)傳輸和高抗輻照能力的雙重需求。

本文結(jié)合ASM1042S2S CANFD收發(fā)器的質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)以及在軌應(yīng)用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，詳細(xì)探討了其在高能質(zhì)子輻照環(huán)境下的穩(wěn)定性和可靠性，并分析了其在軌運(yùn)行中的性能表現(xiàn)。

二、技術(shù)背景

CANFD通信技術(shù)的發(fā)展

控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）協(xié)議是一種廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、工業(yè)自動(dòng)化和航空航天領(lǐng)域的串行通信協(xié)議。隨著數(shù)據(jù)傳輸需求的增加，CAN FD（Flexible Data-rate）協(xié)議應(yīng)運(yùn)而生。CAN FD協(xié)議在保持與傳統(tǒng)CAN協(xié)議兼容的基礎(chǔ)上，支持更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，能夠有效提升系統(tǒng)傳輸效率，滿(mǎn)足現(xiàn)代復(fù)雜電子系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)通信的高效要求。

ASM1042S2S CANFD收發(fā)器正是基于CAN FD協(xié)議研發(fā)的高性能通信芯片，其支持5Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，符合ISO 11898-2（2016）高速CAN物理層標(biāo)準(zhǔn)，適用于多種復(fù)雜通信環(huán)境。

空間輻射環(huán)境對(duì)電子元件的影響

空間輻射環(huán)境包含多種高能粒子，如質(zhì)子、電子和重離子等。這些高能粒子能夠穿透電子元件的封裝材料，與半導(dǎo)體材料相互作用，產(chǎn)生多種單粒子效應(yīng)，包括單粒子鎖定（SEL）、單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）、單粒子功能中斷（SEFI）等。這些效應(yīng)可能導(dǎo)致電子元件的性能下降或功能失效，對(duì)航天任務(wù)的安全性和可靠性構(gòu)成威脅。

因此，對(duì)電子元件進(jìn)行抗輻射性能評(píng)估，尤其是在實(shí)際空間輻射環(huán)境下的單粒子效應(yīng)試驗(yàn)，是保障航天電子系統(tǒng)可靠運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。

質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)的重要性

質(zhì)子作為空間輻射環(huán)境中的主要高能粒子之一，對(duì)電子元件的性能具有顯著影響。質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)?zāi)軌?a href="http://m.makelele.cn/analog/" target="_blank">模擬空間質(zhì)子輻射環(huán)境，對(duì)電子元件的抗輻射能力進(jìn)行評(píng)估，確定其在空間環(huán)境下的可靠性。

通過(guò)質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)，可以研究質(zhì)子能量、注量等參數(shù)對(duì)電子元件性能的影響，為航天電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。

三、ASM1042S2S CANFD收發(fā)器的質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)

試驗(yàn)?zāi)康?/strong>

本次質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)旨在評(píng)估ASM1042S2S CANFD收發(fā)器在高能質(zhì)子輻照環(huán)境下的抗單粒子效應(yīng)能力，確定其在空間輻射環(huán)境中的可靠性。

試驗(yàn)條件

試驗(yàn)在中國(guó)原子能科學(xué)研究院100MeV質(zhì)子回旋加速器上進(jìn)行。質(zhì)子能量為100MeV，注量率為1e7，總注量達(dá)到1e10。試驗(yàn)過(guò)程中，利用USBCAN-FD接收CANFD數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)CANFD工作狀態(tài)。

試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)樣品為ASM1042S2S型CANFD收發(fā)器。試驗(yàn)前，對(duì)樣品進(jìn)行常溫測(cè)試，以確認(rèn)試驗(yàn)樣品參數(shù)、功能正常。

在輻照過(guò)程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)樣品的工作電流和通信功能。工作電流測(cè)試采用DC電源對(duì)ASM1042S2S提供5V供電，并用萬(wàn)用表對(duì)工作電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。功能測(cè)試則通過(guò)USBCANFD分析儀持續(xù)對(duì)ASM1042S2S進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)測(cè)試，對(duì)回讀數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，實(shí)時(shí)輸出錯(cuò)誤計(jì)數(shù)。

試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果顯示，在100MeV質(zhì)子輻照條件下，總注量達(dá)到1e10時(shí)，ASM1042S2S型CANFD收發(fā)器功能正常，未出現(xiàn)單粒子效應(yīng)，包括單粒子鎖定（SEL）和單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）。

四、ASM1042S2S CANFD收發(fā)器的在軌性能表現(xiàn)

在軌應(yīng)用情況

ASM1042S2S芯片已在地質(zhì)遙感智能小衛(wèi)星TY29“天儀29星”（2025年5月發(fā)射）和光學(xué)遙感衛(wèi)星TY35“天儀35星”（2025年5月發(fā)射）中搭載應(yīng)用。該芯片作為抗輻照CANFD接口芯片，接口速率為5Mbps，SEU閾值≥75 MeV·cm2/mg或10??次/器件·天，SEL閾值≥75 MeV·cm2/mg，應(yīng)用于通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸。

在軌性能表現(xiàn)

自2025年5月進(jìn)入太空以來(lái)，ASM1042S2S芯片運(yùn)行正常，接口通信穩(wěn)定，功能和性能滿(mǎn)足衛(wèi)星在軌應(yīng)用需求。具體表現(xiàn)為：

在復(fù)雜的空間輻射環(huán)境下，芯片未出現(xiàn)單粒子鎖定（SEL）或單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）現(xiàn)象，通信數(shù)據(jù)完整性得到保障；

芯片的通信速率穩(wěn)定在5Mbps，滿(mǎn)足衛(wèi)星通信系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸效率的要求；

在軌運(yùn)行期間，芯片的各項(xiàng)性能參數(shù)均保持在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，未出現(xiàn)異常波動(dòng)或性能下降的情況。

五、技術(shù)分析與討論

質(zhì)子單粒子效應(yīng)的物理機(jī)制

質(zhì)子單粒子效應(yīng)主要是由于高能質(zhì)子與半導(dǎo)體材料相互作用，產(chǎn)生電離和位移損傷。電離效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致器件內(nèi)部產(chǎn)生額外的電荷，可能引起單粒子鎖定（SEL）或單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）等現(xiàn)象。位移損傷則可能改變器件的電學(xué)性能，影響其長(zhǎng)期可靠性。

在本次試驗(yàn)中，ASM1042S2S芯片在高能質(zhì)子輻照下表現(xiàn)出良好的抗輻射性能，這主要得益于其內(nèi)部電路設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化。芯片采用了先進(jìn)的半導(dǎo)體制造工藝和抗輻射設(shè)計(jì)技術(shù)，能夠有效降低高能粒子對(duì)器件性能的影響。

抗輻射設(shè)計(jì)策略

為了提高電子元件的抗輻射能力，通常采用以下幾種設(shè)計(jì)策略：

器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化：通過(guò)增加器件的臨界電荷、優(yōu)化器件的幾何結(jié)構(gòu)等方法，提高器件對(duì)單粒子效應(yīng)的不敏感性；

材料選擇：采用具有高抗輻射性能的半導(dǎo)體材料和封裝材料，減少高能粒子對(duì)器件的損傷；

冗余設(shè)計(jì)：在電路中引入冗余單元，當(dāng)某一單元受到單粒子效應(yīng)影響時(shí)，冗余單元能夠接替工作，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行；

軟件容錯(cuò)：通過(guò)軟件算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)和糾錯(cuò)，降低單粒子效應(yīng)導(dǎo)致的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤對(duì)系統(tǒng)的影響。

ASM1042S2S CANFD收發(fā)器在設(shè)計(jì)過(guò)程中綜合考慮了上述抗輻射策略，通過(guò)優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)、選用高性能材料以及引入冗余設(shè)計(jì)等措施，顯著提高了其抗輻射性能。

在軌運(yùn)行環(huán)境的復(fù)雜性

盡管地面試驗(yàn)?zāi)軌蚰M部分空間輻射環(huán)境，但在軌運(yùn)行環(huán)境的復(fù)雜性遠(yuǎn)超地面試驗(yàn)條件。在實(shí)際在軌運(yùn)行過(guò)程中，電子元件不僅要面對(duì)高能粒子的輻照，還要承受微流星體撞擊、溫度變化、真空環(huán)境等多種因素的綜合影響。

ASM1042S2S芯片在地質(zhì)遙感智能小衛(wèi)星TY29和光學(xué)遙感衛(wèi)星TY35中的成功應(yīng)用，充分驗(yàn)證了其在復(fù)雜在軌環(huán)境下的可靠性和穩(wěn)定性。這不僅為該型號(hào)芯片的進(jìn)一步推廣提供了有力支持，也為航天電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和選型提供了重要參考。

六、結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)ASM1042S2S CANFD收發(fā)器的質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)和在軌性能表現(xiàn)的詳細(xì)分析，得出以下結(jié)論：

ASM1042S2S CANFD收發(fā)器在100MeV質(zhì)子輻照環(huán)境下，總注量達(dá)到1e10時(shí)，未出現(xiàn)單粒子鎖定（SEL）或單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）現(xiàn)象，表明其具有優(yōu)異的抗質(zhì)子單粒子效應(yīng)能力；在軌運(yùn)行期間，ASM1042S2S芯片表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和可靠性，通信數(shù)據(jù)傳輸正常，各項(xiàng)性能參數(shù)均符合設(shè)計(jì)要求；

ASM1042S2S CANFD收發(fā)器憑借其卓越的抗輻射性能和穩(wěn)定的在軌表現(xiàn)，已成為航天通信領(lǐng)域的理想選擇。

審核編輯 黃宇