摘要

低軌衛(wèi)星星座技術(shù)的快速發(fā)展對(duì)電子器件的可靠性和抗輻照性能提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。針對(duì)低軌衛(wèi)星光模塊控制中的核心器件——MCU芯片，本文以國(guó)科安芯推出的基于32位RISC-V架構(gòu)的AS32S601 ZIT2型MCU為例，系統(tǒng)性地研究了其在抗輻照環(huán)境中的性能表現(xiàn)。通過(guò)對(duì)質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)、總劑量效應(yīng)試驗(yàn)以及單粒子效應(yīng)脈沖激光試驗(yàn)的綜合評(píng)估，分析了該芯片在復(fù)雜輻照環(huán)境下的可靠性與適用性。

1. 引言

低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)因其在通信、導(dǎo)航、遙感等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用而備受關(guān)注。然而，低軌衛(wèi)星運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，其光模塊控制系統(tǒng)需承受高能粒子輻射的影響，這對(duì)核心MCU芯片的抗輻照能力提出了極高要求。MCU作為光模塊控制的核心器件，其可靠性直接影響衛(wèi)星系統(tǒng)的穩(wěn)定性與壽命。因此，研究MCU芯片的抗輻照性能對(duì)提升低軌衛(wèi)星系統(tǒng)的可靠性具有重要意義。

近年來(lái)，隨著商業(yè)航天的興起，對(duì)高性價(jià)比、高可靠性的MCU芯片需求日益增長(zhǎng)。AS32S601 ZIT2型MCU作為一款專為商業(yè)航天級(jí)應(yīng)用設(shè)計(jì)的高性能芯片，采用先進(jìn)抗輻照加固技術(shù)，具備高安全、低失效、多IO、低成本等特點(diǎn)。本文旨在通過(guò)系統(tǒng)的輻照試驗(yàn)與性能評(píng)估，探討該芯片在低軌衛(wèi)星光模塊控制中的應(yīng)用潛力。

2. AS32S601 ZIT2型MCU芯片技術(shù)特性

2.1 芯片概述

AS32S601 ZIT2型MCU由國(guó)科安芯開(kāi)發(fā)的一款基于32位RISC-V指令集的高性能MCU。該芯片工作頻率高達(dá)180MHz，支持2.7V~5.5V寬電壓輸入，并具備多樣的功能模塊，包括512KiB內(nèi)部SRAM（帶ECC）、512KiB D-Flash（帶ECC）、2MiB P-Flash（帶ECC）、3個(gè)12位ADC（支持48通道模擬輸入）、2個(gè)模擬比較器（ACMP）、2個(gè)8位DAC以及豐富的通信接口（SPI、CAN、USART、IIC等）。其設(shè)計(jì)符合AEC-Q100 Grade 1認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，適用于商業(yè)航天、工業(yè)控制等高可靠性需求場(chǎng)景。

2.2 抗輻照設(shè)計(jì)與可靠性

AS32S601 ZIT2型MCU采用先進(jìn)抗輻照加固技術(shù)，具備以下關(guān)鍵特性：

ECC校驗(yàn) ：內(nèi)部SRAM和Flash均集成ECC校驗(yàn)功能，可有效提升數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的可靠性。

多級(jí)電源管理模式 ：支持RUN、SRUN、SLEEP、DEEP SLEEP四種模式，降低功耗的同時(shí)提升抗輻照能力。

硬件加密模塊 ：集成AES、SM2/3/4和TRNG功能，保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/p>

高能粒子防護(hù)設(shè)計(jì) ：通過(guò)優(yōu)化電路布局和工藝設(shè)計(jì)，提升芯片對(duì)高能粒子的抗干擾能力。

2.3 應(yīng)用場(chǎng)景分析

低軌衛(wèi)星光模塊控制對(duì)MCU芯片提出了多方面的要求：

高可靠性 ：光模塊控制涉及數(shù)據(jù)傳輸、信號(hào)處理等關(guān)鍵任務(wù)，要求MCU具備高可靠性。

抗輻照能力 ：低軌衛(wèi)星運(yùn)行環(huán)境中存在高能粒子輻射，可能導(dǎo)致芯片功能異?；蚴А?/p>

低功耗 ：衛(wèi)星能源有限，MCU需具備低功耗特性以延長(zhǎng)衛(wèi)星壽命。

多接口支持 ：光模塊控制需要與多種設(shè)備進(jìn)行通信，MCU需具備豐富的接口資源。

AS32S601 ZIT2型MCU憑借其高性能、低功耗和抗輻照設(shè)計(jì)，能夠滿足上述需求，適用于低軌衛(wèi)星光模塊控制等高安全需求場(chǎng)景。

3. 抗輻照性能試驗(yàn)與分析

3.1 質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)

質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)是評(píng)估芯片抗輻照能力的重要手段之一。本試驗(yàn)采用100MeV質(zhì)子加速器對(duì)AS32S601 ZIT2型MCU芯片進(jìn)行輻照，旨在評(píng)估其在單粒子效應(yīng)環(huán)境下的性能表現(xiàn)。

3.1.1 試驗(yàn)方法與條件

試驗(yàn)在中國(guó)原子能科學(xué)研究院的100MeV質(zhì)子回旋加速器上進(jìn)行，輻照面積為20cm×20cm，質(zhì)子能量范圍為10-100MeV，注量率為5E5-5E9 P·cm?2·s?1。試驗(yàn)環(huán)境溫度為15℃~35℃，相對(duì)濕度為20%~80%，滿足GB18871-2002標(biāo)準(zhǔn)要求。試驗(yàn)樣品在輻照前需完成常溫功能測(cè)試，確保其初始性能正常。

3.1.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果顯示，在100MeV質(zhì)子能量、1e7注量率和1e10總注量條件下，AS32S601 ZIT2型MCU功能正常，未出現(xiàn)單粒子效應(yīng)。試驗(yàn)后，芯片的電參數(shù)和功能均保持穩(wěn)定，工作電流為135mA，CAN接口正常通信，F(xiàn)LASH/RAM功能正常。結(jié)果表明，該芯片具備優(yōu)異的抗質(zhì)子單粒子效應(yīng)能力。

3.2 總劑量效應(yīng)試驗(yàn)

總劑量效應(yīng)試驗(yàn)用于評(píng)估芯片在長(zhǎng)期積累輻照環(huán)境下的耐受能力。本試驗(yàn)采用鈷60γ射線源對(duì)AS32S601 ZIT2型MCU芯片進(jìn)行輻照，輻照劑量率為25rad(Si)/s，總劑量分別為100krad(Si)和150krad(Si)，以評(píng)估芯片的抗總劑量性能。

3.2.1 試驗(yàn)方法與條件

試驗(yàn)在北京大學(xué)技術(shù)物理系鈷源平臺(tái)上進(jìn)行，輻照劑量測(cè)試采用電離室和熱釋光劑量計(jì)，測(cè)量不確定度小于5%。試驗(yàn)環(huán)境溫度為24℃±6℃，滿足QJ10004A-2018標(biāo)準(zhǔn)要求。試驗(yàn)樣品在輻照前后進(jìn)行常溫功能測(cè)試，測(cè)試項(xiàng)目包括工作電流、CAN通信性能、FLASH/RAM擦寫(xiě)功能等。

3.2.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果顯示，在100krad(Si)和150krad(Si)總劑量條件下，AS32S601 ZIT2型MCU功能正常，工作電流為132mA，CAN接口通信正常，F(xiàn)LASH/RAM功能正常。試驗(yàn)后，芯片經(jīng)過(guò)室溫退火和高溫退火處理，性能和外觀均合格。結(jié)果表明，該芯片的抗總劑量輻照能力大于150krad(Si)，滿足商業(yè)航天級(jí)應(yīng)用需求。

3.3 單粒子效應(yīng)脈沖激光試驗(yàn)

單粒子效應(yīng)脈沖激光試驗(yàn)是另一種評(píng)估芯片抗輻照性能的有效方法。本試驗(yàn)采用皮秒脈沖激光器，模擬高能粒子對(duì)芯片的輻照效應(yīng)，通過(guò)激光能量與重離子LET值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，評(píng)估芯片的抗單粒子效應(yīng)能力。

3.3.1 試驗(yàn)方法與條件

試驗(yàn)在北京中科芯的脈沖激光實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，采用皮秒脈沖激光器，激光能量范圍為120pJ至1830pJ，對(duì)應(yīng)LET值為5±1.25 MeV·cm2·mg?1至75±18.75 MeV·cm2·mg?1。試驗(yàn)環(huán)境溫度為24℃，濕度為42%RH，滿足GB/T43967-2024標(biāo)準(zhǔn)要求。試驗(yàn)樣品通過(guò)三維移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行掃描，激光光斑覆蓋芯片表面，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)芯片工作電流變化。

3.3.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果顯示，在激光能量為120pJ（對(duì)應(yīng)LET值為5±1.25 MeV·cm2·mg?1）至1585pJ（對(duì)應(yīng)LET值為75±16.25 MeV·cm2·mg?1）條件下，AS32S601型MCU發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）現(xiàn)象，但未出現(xiàn)單粒子鎖定（SEL）效應(yīng)。試驗(yàn)后，芯片功能恢復(fù)正常，工作電流為100mA，CAN接口通信正常，F(xiàn)LASH/RAM功能正常。結(jié)果表明，該芯片在單粒子效應(yīng)環(huán)境下的可靠性較高。

4. 數(shù)據(jù)分析與討論

4.1 抗輻照性能綜合評(píng)估

通過(guò)對(duì)質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)、總劑量效應(yīng)試驗(yàn)和單粒子效應(yīng)脈沖激光試驗(yàn)結(jié)果的綜合分析，AS32S601 ZIT2型MCU在以下方面表現(xiàn)出優(yōu)異的抗輻照性能：

單粒子效應(yīng) ：在100MeV質(zhì)子輻照環(huán)境下，芯片功能正常，未出現(xiàn)單粒子效應(yīng)。

總劑量效應(yīng) ：芯片抗總劑量輻照能力大于150krad(Si)，退火后性能和外觀均合格。

單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng) ：在LET值為75±16.25 MeV·cm2·mg?1條件下，芯片發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象，但未出現(xiàn)單粒子鎖定效應(yīng)，且功能可恢復(fù)。

4.2 應(yīng)用場(chǎng)景分析

4.2.1 低軌衛(wèi)星光模塊控制需求

低軌衛(wèi)星光模塊控制系統(tǒng)需要具備以下關(guān)鍵特性：

高可靠性 ：光模塊負(fù)責(zé)衛(wèi)星間數(shù)據(jù)傳輸，MCU需具備高可靠性以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

抗輻照能力 ：低軌衛(wèi)星運(yùn)行環(huán)境中存在高能粒子輻射，可能導(dǎo)致芯片功能異常或失效。

低功耗 ：衛(wèi)星能源有限，MCU需具備低功耗特性以延長(zhǎng)衛(wèi)星壽命。

多接口支持 ：光模塊控制需要與多種設(shè)備進(jìn)行通信，MCU需具備豐富的接口資源。

AS32S601 ZIT2型MCU憑借其高性能、低功耗和抗輻照設(shè)計(jì)，能夠滿足上述需求，適用于低軌衛(wèi)星光模塊控制等高安全需求場(chǎng)景。

4.2.2 芯片在其他高可靠需求場(chǎng)景的潛力

除低軌衛(wèi)星光模塊控制外，AS32S601 ZIT2型MCU還可應(yīng)用于以下高可靠需求場(chǎng)景：

工業(yè)自動(dòng)化 ：在工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，MCU需具備高抗干擾能力和低功耗特性，以適應(yīng)復(fù)雜的工作環(huán)境。

核電站監(jiān)控 ：核電站監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)芯片的抗輻照能力和可靠性要求極高，AS32S601 ZIT2型MCU的抗總劑量輻照能力使其在該領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。

5. 結(jié)論與展望

5.1 研究結(jié)論

AS32S601 ZIT2型MCU是一款專為商業(yè)航天級(jí)應(yīng)用設(shè)計(jì)的高性能MCU芯片。通過(guò)對(duì)質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)、總劑量效應(yīng)試驗(yàn)和單粒子效應(yīng)脈沖激光試驗(yàn)的綜合評(píng)估，該芯片展現(xiàn)出優(yōu)異的抗輻照性能和高可靠性，能夠滿足低軌衛(wèi)星光模塊控制的需求。具體結(jié)論如下：

在質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)中，芯片功能正常，未出現(xiàn)單粒子效應(yīng)。

在總劑量效應(yīng)試驗(yàn)中，芯片抗總劑量輻照能力大于150krad(Si)，退火后性能和外觀均合格。

在單粒子效應(yīng)脈沖激光試驗(yàn)中，芯片發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象，但未出現(xiàn)單粒子鎖定效應(yīng)，且功能可恢復(fù)。

5.2 未來(lái)展望

隨著低軌衛(wèi)星星座技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)高性能、抗輻照MCU芯片的需求將持續(xù)增長(zhǎng)。未來(lái)，AS32S601 ZIT2型MCU有望在更多航天應(yīng)用場(chǎng)景中發(fā)揮重要作用。同時(shí)，隨著RISC-V架構(gòu)的不斷發(fā)展與優(yōu)化，基于該架構(gòu)的MCU芯片將在抗輻照性能和功能多樣性方面取得更大突破，為低軌衛(wèi)星光模塊控制及其他高可靠需求場(chǎng)景提供更優(yōu)質(zhì)的解決方案。

審核編輯 黃宇