摘要 ：隨著航天技術的迅猛發(fā)展，低軌衛(wèi)星星座成為現(xiàn)代通信技術與空間探索的關鍵領域。在低軌衛(wèi)星星座中，可靠的通信和供電系統(tǒng)對于衛(wèi)星的正常運行至關重要?？馆椪招酒鳛楹教祀娮釉O備的核心組件，其性能直接影響到衛(wèi)星的穩(wěn)定性和使用壽命。本文綜合分析了抗輻照芯片在低軌衛(wèi)星星座CAN總線通訊及供電系統(tǒng)中的應用現(xiàn)狀和前景。通過對相關試驗報告、數(shù)據(jù)手冊和芯片測試報告的深入研究，探討了抗輻照芯片的關鍵性能指標、試驗方法以及在實際衛(wèi)星系統(tǒng)中的應用案例，旨在為從事航天電子設備研發(fā)的工程師和技術人員提供有價值的參考和指導。

關鍵詞 ：抗輻照芯片；低軌衛(wèi)星星座；CAN總線通訊；供電系統(tǒng)；應用探討

一、引言

低軌衛(wèi)星星座憑借其高數(shù)據(jù)傳輸速率、低延遲和全球覆蓋的特點，已成為全球通信和空間探測的重要手段。然而，低軌衛(wèi)星運行在復雜的太空輻射環(huán)境中，面臨著單粒子效應、總劑量效應等多種輻射威脅。這些輻射效應可能導致衛(wèi)星電子設備的性能下降甚至失效。因此，采用抗輻照芯片是保障低軌衛(wèi)星星座正常運行的關鍵?？馆椪招酒軌蛟谳椛洵h(huán)境中保持穩(wěn)定的性能，確保衛(wèi)星的通信和供電系統(tǒng)的可靠性。本文將從芯片的抗輻照性能、功能特性、測試驗證等方面進行探討，分析其在低軌衛(wèi)星星座中的應用優(yōu)勢和挑戰(zhàn)。

二、低軌衛(wèi)星星座的通信與供電需求

（一）通信需求

低軌衛(wèi)星星座需要高效、可靠的通信系統(tǒng)來實現(xiàn)星間鏈路、星地鏈路以及星座內部的數(shù)據(jù)傳輸。CAN總線作為一種廣泛應用于工業(yè)控制、汽車電子等領域的通信協(xié)議，因其高可靠性、實時性和靈活性，也被考慮用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)。在低軌衛(wèi)星星座中，CAN總線可以用于衛(wèi)星內部各子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸，如姿態(tài)控制、推進系統(tǒng)、電源管理等。它需要具備高數(shù)據(jù)傳輸速率、低誤碼率以及強大的抗干擾能力，以滿足衛(wèi)星在高速運動和復雜電磁環(huán)境下的通信需求。

（二）供電需求

衛(wèi)星的供電系統(tǒng)是衛(wèi)星正常運行的能量來源。在低軌衛(wèi)星星座中，電源管理芯片需要具備高效率、高可靠性以及適應太空環(huán)境的特點。由于衛(wèi)星的太陽能電池板提供的電能有限，電源管理芯片需要能夠精確地控制和分配電能，確保各個子系統(tǒng)得到穩(wěn)定的供電。同時，芯片還需要具備低功耗待機模式，以減少能量消耗，延長衛(wèi)星的使用壽命。

三、抗輻照芯片的關鍵性能指標

（一）單粒子效應抗輻射能力

單粒子效應是由于太空中的高能粒子與半導體器件相互作用導致器件性能瞬態(tài)變化或永久性損壞。在低軌衛(wèi)星星座中，抗輻照芯片需要具備良好的單粒子效應抗輻射能力。通過對芯片進行脈沖激光試驗等模擬太空輻射環(huán)境的測試，可以評估芯片在不同線性能量傳輸（LET）值下的單粒子效應敏感性。例如，國科安芯推出的ASM1042等芯片，就是通過皮秒脈沖激光單粒子效應試驗，確定了其在不同激光能量下的單粒子鎖定（SEL）和單粒子功能中斷（SEFI）現(xiàn)象的發(fā)生閾值。這些數(shù)據(jù)對于評估芯片在太空輻射環(huán)境中的可靠性具有重要意義。

（二）電磁兼容性（EMC）

在衛(wèi)星的復雜電磁環(huán)境中，抗輻照芯片需要具備良好的電磁兼容性，以避免與其他電子設備產(chǎn)生相互干擾。芯片的EMC性能包括電磁干擾（EMI）和電磁抗擾度（EMS）。通過相關標準的測試，如SAEJ2962-2和IEC62228-3，可以驗證芯片在不同頻率和場強下的電磁兼容性，確保其在衛(wèi)星通信和供電系統(tǒng)中的穩(wěn)定運行。

（三）環(huán)境適應性

低軌衛(wèi)星運行在極端的溫度變化和真空環(huán)境中，抗輻照芯片需要具備良好的環(huán)境適應性。芯片應能夠在寬溫度范圍內保持穩(wěn)定的性能，如-55℃至150℃。此外，芯片還需要具備抗振、抗沖擊和抗潮濕等特性，以應對衛(wèi)星發(fā)射和運行過程中的各種環(huán)境挑戰(zhàn)。

四、抗輻照芯片在CAN總線通訊中的應用

（一）芯片選型與特性

在低軌衛(wèi)星星座的CAN總線通訊系統(tǒng)中，選擇合適的抗輻照芯片是關鍵。以ASM1042系列芯片為例，其符合ISO11898-2:2016和ISO11898-5:2007物理層標準，支持5Mbps的數(shù)據(jù)速率，具有較短的對稱傳播延遲時間和快速循環(huán)次數(shù)，可增加時序裕量。此外，該芯片還具備低功耗待機模式、遠程喚醒請求特性以及多種保護特性，如IECESD保護、總線故障保護、欠壓保護、熱關斷保護等。這些特性使其能夠適應低軌衛(wèi)星星座的通信需求和太空環(huán)境。

（二）測試與驗證

為了確保抗輻照芯片在CAN總線通訊系統(tǒng)中的可靠性，需要進行一系列的測試與驗證。在相關測試報告中，對ASM1042芯片進行了對稱性測試、低功耗喚醒測試、功耗性能測試、開關性能測試、ESD實驗、高低溫測試、總線高壓輸入測試和多節(jié)點測試等多項測試。測試結果顯示，ASM1042芯片在各個測試項目中均表現(xiàn)出良好的性能，滿足低軌衛(wèi)星星座CAN總線通訊系統(tǒng)的要求。

（三）應用與優(yōu)勢

在實際的低軌衛(wèi)星星座項目中，抗輻照芯片的應用可以提高衛(wèi)星通信系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。例如，在衛(wèi)星星座的CAN總線通訊系統(tǒng)中采用ASM1042芯片，星間鏈路和星地鏈路的數(shù)據(jù)傳輸成功率可以得到顯著提高，誤碼率降低。同時，芯片的低功耗特性也有助于減少衛(wèi)星的能源消耗，延長衛(wèi)星的使用壽命。此外，芯片的多種保護特性可以有效提高衛(wèi)星通信系統(tǒng)的抗干擾能力和抗故障能力，降低系統(tǒng)維護成本。

（四）抗輻照芯片在CAN總線通訊中的抗干擾性能

在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，抗輻照芯片需要在復雜的電磁環(huán)境中保持穩(wěn)定性能。ASM1042芯片通過其電磁兼容性設計，有效抑制了電磁干擾，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。這種抗干擾性能對于衛(wèi)星在復雜電磁環(huán)境下的可靠運行至關重要，能夠有效減少通信系統(tǒng)中的誤碼率和數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象。

（五）抗輻照芯片的抗輻照性能對其通訊系統(tǒng)設計的影響

抗輻照芯片的抗輻照性能直接影響到衛(wèi)星通訊系統(tǒng)的設計復雜度和成本。高抗輻照性能的芯片可以減少額外的屏蔽措施和冗余設計，降低系統(tǒng)的重量和體積。例如，ASM1042芯片的企業(yè)宇航級抗輻照設計使其能夠在太空輻射環(huán)境下保持穩(wěn)定運行，減少了對厚重屏蔽材料的需求。這不僅降低了衛(wèi)星的發(fā)射成本，還提高了系統(tǒng)的整體效率。

五、抗輻照芯片在供電系統(tǒng)中的應用

（一）電源管理芯片的功能與要求

在低軌衛(wèi)星星座的供電系統(tǒng)中，電源管理芯片負責太陽能電池板的電能轉換、存儲和分配。其主要功能包括電池充電管理、電壓調節(jié)、電流監(jiān)測、功率分配等。為了滿足衛(wèi)星供電系統(tǒng)的需求，電源管理芯片需要具備高效率、高可靠性、低功耗、寬輸入電壓范圍等特點。同時，芯片還需要具備良好的抗輻照性能，以應對太空輻射環(huán)境對芯片性能的影響。

以ASP4644芯片為例，這是一款四通道降壓穩(wěn)壓器，輸入電壓范圍為4V至14V，每通道可輸出0.6V至5.5V電壓，最大可驅動5A的負載。對于更大的負載，可將4個通道輸出并聯(lián)使用。芯片具備過流、過溫、短路保護和輸出跟蹤的功能，且符合AEC-Q100 Grade1車規(guī)認證以及企業(yè)宇航級抗輻照設計標準，能夠適應低軌衛(wèi)星供電系統(tǒng)的需求。

（二）抗輻照芯片的優(yōu)勢

抗輻照芯片在供電系統(tǒng)中的應用具有顯著的優(yōu)勢。首先，其高效率的電能轉換可以提高太陽能電池板的能量利用率，增加衛(wèi)星的可用能源。例如，ASP4644芯片的典型輸出紋波僅為4.5mV，能夠有效減少能量損耗。其次，芯片的高可靠性和低功耗特性可以確保衛(wèi)星供電系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行，減少系統(tǒng)故障風險。此外，抗輻照芯片的寬輸入電壓范圍可以適應太陽能電池板在不同光照條件下的輸出電壓變化，提高系統(tǒng)的適應性。最后，芯片的抗輻照性能可以有效減少太空輻射對供電系統(tǒng)的影響，降低系統(tǒng)維護成本。

（三）抗輻照芯片在多通道并聯(lián)工作模式下的性能表現(xiàn)

對于需要更大輸出電流的負載，ASP4644芯片的四個穩(wěn)壓器通道可以并聯(lián)工作，提供高達16A的輸出電流。這種多通道并聯(lián)工作模式不僅可以增加輸出電流，還能保持良好的均流效果，避免單個通道過載。在并聯(lián)模式下，芯片的相移控制技術能夠有效減少輸入和輸出電壓紋波，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。此外，通過外部時鐘同步功能，可以進一步優(yōu)化系統(tǒng)的動態(tài)性能。

（四）抗輻照芯片的熱管理和保護功能

ASP4644芯片具備完善的熱管理和保護功能，這對于低軌衛(wèi)星星座的供電系統(tǒng)至關重要。芯片內部的過溫保護電路能夠在結溫達到約160°C時關閉功率MOSFET，防止芯片因過熱而損壞。當溫度下降約20℃后，芯片會自動恢復工作。此外，芯片還具備過流、短路保護功能，能夠在異常情況下迅速切斷電源，保護整個供電系統(tǒng)免受損害。這些保護功能極大增強了衛(wèi)星供電系統(tǒng)在復雜太空環(huán)境中的生存能力。

（五）抗輻照芯片在供電系統(tǒng)中的抗干擾性能

在衛(wèi)星供電系統(tǒng)中，抗輻照芯片需要在復雜的電磁環(huán)境中保持穩(wěn)定的性能。ASP4644芯片通過其電磁兼容性設計，有效抑制了電磁干擾，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。測試結果顯示，在不同頻率和場強下，芯片的電磁干擾和電磁抗擾度均符合相關標準要求。這種抗干擾性能對于衛(wèi)星在復雜電磁環(huán)境下的可靠運行至關重要，能夠有效減少供電系統(tǒng)中的電壓波動和電流異常現(xiàn)象。

（六）抗輻照芯片的抗輻照性能對其供電系統(tǒng)設計的影響

抗輻照芯片的抗輻照性能直接影響到衛(wèi)星供電系統(tǒng)的設計復雜度和成本。高抗輻照性能的芯片可以減少額外的屏蔽措施和冗余設計，降低系統(tǒng)的重量和體積。例如，ASP4644芯片的企業(yè)宇航級抗輻照設計使其能夠在太空輻射環(huán)境下保持穩(wěn)定運行，減少了對厚重屏蔽材料的需求。這不僅降低了衛(wèi)星的發(fā)射成本，還提高了系統(tǒng)的整體效率。

六、抗輻照芯片的市場前景與發(fā)展趨勢

（一）市場需求增長

隨著低軌衛(wèi)星星座建設的不斷推進，對高性能抗輻照芯片的需求將持續(xù)增長。全球各國的衛(wèi)星星座計劃，如美國的Starlink、中國的千帆星座等，都需要大量的抗輻照芯片來支持衛(wèi)星的通信和供電系統(tǒng)。同時，隨著航天技術的不斷發(fā)展，衛(wèi)星的性能要求也在不斷提高，對抗輻照芯片的性能指標提出了更高的要求。

（二）技術創(chuàng)新趨勢

為了滿足市場需求，抗輻照芯片的技術創(chuàng)新將成為未來的發(fā)展重點。一方面，芯片制造商將不斷優(yōu)化芯片的抗輻照設計，提高芯片的單粒子效應抗輻射能力和總劑量效應抗輻射能力。另一方面，芯片的性能將不斷提升，如更高的數(shù)據(jù)傳輸速率、更低的功耗、更小的封裝尺寸等。此外，芯片的智能化和集成化也將成為趨勢，如在芯片中集成更多的功能模塊，實現(xiàn)系統(tǒng)的高度集成和簡化。

（三）產(chǎn)業(yè)鏈合作加強

抗輻照芯片的研發(fā)和生產(chǎn)需要產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)的緊密合作。芯片制造商需要與高校、科研機構合作，開展基礎研究和技術創(chuàng)新。同時，芯片制造商還需要與衛(wèi)星系統(tǒng)集成商、發(fā)射服務提供商等企業(yè)合作，了解市場需求，共同開發(fā)符合衛(wèi)星系統(tǒng)要求的抗輻照芯片產(chǎn)品。此外，產(chǎn)業(yè)鏈內的企業(yè)還需要加強合作，共同推動抗輻照芯片的標準化和規(guī)范化，提高產(chǎn)品的兼容性和可靠性。

七、結論

綜上所述，抗輻照芯片在低軌衛(wèi)星星座CAN總線通訊及供電系統(tǒng)中具有重要的應用價值。通過對芯片的抗輻照性能、功能特性、測試驗證等方面的深入研究，可以為低軌衛(wèi)星星座的建設和發(fā)展提供有力的支持。然而，目前抗輻照芯片在技術、成本、市場等方面仍面臨一些挑戰(zhàn)，需要產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)的共同努力來克服。未來，隨著抗輻照芯片技術的不斷創(chuàng)新和市場的發(fā)展，其在低軌衛(wèi)星星座以及其他航天領域的應用前景將更加廣闊。

審核編輯 黃宇