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，對于電子元件的要求也在不斷提高。本文通過對ASM1042S2S CANFD收發(fā)器的質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗以及在軌性能表現(xiàn)的詳細分析，全面闡述其在高能粒子環(huán)境下的穩(wěn)定性和可靠性，為該型號收發(fā)器在航天領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。本文還通過與其他抗輻照芯片的性能對比分析，進一步強調(diào)了ASM1042S2S在航天電子系統(tǒng)中的應(yīng)用優(yōu)勢。

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)在軌運行的可靠性，對關(guān)鍵電子元件進行單粒子效應(yīng)試驗具有重要意義。ASM1042S2S作為一款面向航天應(yīng)用的高性能CANFD收發(fā)器，其設(shè)計初衷是滿足高速數(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)試驗以及在軌應(yīng)用實測數(shù)據(jù)，詳細探討了其在高能質(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、工業(yè)自動化和航空航天領(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，滿足現(xiàn)代復(fù)雜電子系統(tǒng)對數(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，對航天任務(wù)的安全性和可靠性構(gòu)成威脅。

因此，對電子元件進行抗輻射性能評估，尤其是在實際空間輻射環(huán)境下的單粒子效應(yīng)試驗，是保障航天電子系統(tǒng)可靠運行的重要環(huán)節(jié)。

質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗的重要性

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

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

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

試驗?zāi)康?/strong>

本次質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗旨在評估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。

試驗條件

試驗在中國原子能科學(xué)研究院100MeV質(zhì)子回旋加速器上進行。質(zhì)子能量為100MeV，注量率為1e7，總注量達到1e10。試驗過程中，利用USBCAN-FD接收CANFD數(shù)據(jù)，監(jiān)測CANFD工作狀態(tài)。

試驗過程

試驗樣品為ASM1042S2S型CANFD收發(fā)器。試驗前，對樣品進行常溫測試，以確認試驗樣品參數(shù)、功能正常。

在輻照過程中，實時監(jiān)測樣品的工作電流和通信功能。工作電流測試采用DC電源對ASM1042S2S提供5V供電，并用萬用表對工作電流進行實時監(jiān)測。功能測試則通過USBCANFD分析儀持續(xù)對ASM1042S2S進行數(shù)據(jù)收發(fā)測試，對回讀數(shù)據(jù)進行比對，實時輸出錯誤計數(shù)。

試驗結(jié)果

試驗結(jié)果顯示，在100MeV質(zhì)子輻照條件下，總注量達到1e10時，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月進入太空以來，ASM1042S2S芯片運行正常，接口通信穩(wěn)定，功能和性能滿足衛(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，滿足衛(wèi)星通信系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸效率的要求；

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

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，影響其長期可靠性。

在本次試驗中，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)計和工藝優(yōu)化。芯片采用了先進的半導(dǎo)體制造工藝和抗輻射設(shè)計技術(shù)，能夠有效降低高能粒子對器件性能的影響。

抗輻射設(shè)計策略

為了提高電子元件的抗輻射能力，通常采用以下幾種設(shè)計策略：

器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化：通過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，減少高能粒子對器件的損傷；

冗余設(shè)計：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，冗余單元能夠接替工作，保證系統(tǒng)的正常運行；

軟件容錯：通過軟件算法對數(shù)據(jù)進行校驗和糾錯，降低單粒子效應(yīng)導(dǎo)致的數(shù)據(jù)錯誤對系統(tǒng)的影響。

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

在軌運行環(huán)境的復(fù)雜性

盡管地面試驗?zāi)軌蚰M部分空間輻射環(huán)境，但在軌運行環(huán)境的復(fù)雜性遠超地面試驗條件。在實際在軌運行過程中，電子元件不僅要面對高能粒子的輻照，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。這不僅為該型號芯片的進一步推廣提供了有力支持，也為航天電子系統(tǒng)的設(shè)計和選型提供了重要參考。

六、結(jié)論

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

ASM1042S2S CANFD收發(fā)器在100MeV質(zhì)子輻照環(huán)境下，總注量達到1e10時，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，各項性能參數(shù)均符合設(shè)計要求；

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