抗辐照DCDC与MCU在核环境监测设备中的集成应用

摘要

核环境监测设备对保障核设施安全、保护环境与人员健康意义重大，需在复杂恶劣的核环境中稳定运行。电子设备易受核辐射影响产生单粒子效应等故障，选用具备抗辐照能力的DCDC与MCU芯片至关重要。本文结合实际测试数据，深入探讨抗辐照DCDC与MCU芯片在核环境监测设备中的集成应用，旨在为相关领域科研人员提供参考，以提升核环境监测设备的可靠性与稳定性。

一、引言

核能作为清洁能源，在全球能源结构中的地位逐渐上升。核环境监测设备对保障核设施安全、保护环境与人员健康意义重大。它需实时监测放射性物质泄漏与扩散，但核环境复杂恶劣，电子设备面临单粒子效应等挑战。高能粒子可能穿透芯片引发故障，导致系统误操作或瘫痪。因此，选用具备抗辐照能力的芯片成为关键。本文以国科安芯推出的抗辐照DCDC芯片ASP3605S和ASP4644S，MCU芯片AS32S601为例，深入探讨其集成应用。

二、核环境监测设备面临的挑战

核环境具有复杂性和恶劣性，对电子设备提出诸多挑战。除高能粒子辐射外，还常伴高温、高压、腐蚀性气体等，加剧电子设备的可靠性问题。电子设备在此环境下长时间运行，部件易老化、性能易退化，增加故障风险。例如，高温使芯片内部电路膨胀，导致接触不良、短路等问题。此外，核环境的特殊性要求监测设备具备高可靠性与稳定性。设备一旦故障，可能导致放射性物质泄漏监测数据不准确或中断，影响核设施安全运行，甚至引发严重事故。因此，选用具备抗辐照能力且可靠性高的DCDC与MCU芯片，对于提升核环境监测设备性能和稳定性具有重要意义。

三、抗辐照DCDC与MCU芯片在核环境监测设备中的应用

（一）核环境监测设备对DCDC与MCU芯片的需求

核环境监测设备需要具备高抗辐照性能的DCDC与MCU芯片，以确保在核辐射环境下的稳定运行。DCDC芯片为整个监测系统提供稳定的电源支持，而MCU芯片则负责控制和管理监测设备的运行。具体来说，核环境监测设备对DCDC芯片的需求包括能够提供稳定的输出电压、具备高效的能量转换效率、具有抗辐照能力等。对于MCU芯片，核环境监测设备需要其具备高性能的处理能力、丰富的接口资源以及强大的抗辐照性能，以满足数据采集、处理、存储和传输的需求。

（二）DCDC与MCU芯片在核环境监测设备中的作用机制

DCDC芯片在核环境监测设备中主要负责将外部输入的电源转换为适合监测设备内部各个模块工作的电压和电流。其抗辐照性能保证了在核辐射环境下，电源系统能够稳定地为监测设备提供所需的能量，避免因电源波动或失效导致整个监测系统无法正常工作。MCU芯片则是核环境监测设备的核心控制单元，负责协调和管理各个监测模块的运行，包括数据采集、处理、存储和传输等。其抗辐照能力确保在核辐射环境下，MCU能够准确地执行指令，实现对监测数据的实时处理和分析，及时发出警报和采取相应的措施。例如，当传感器检测到核环境中的辐射剂量超标时，MCU能够迅速处理数据并控制相关执行器发出警报，同时将数据传输到远程监控中心进行进一步分析和处理。

（三）基于抗辐照DCDC芯片的电源管理方案

在核环境监测设备中，采用抗辐照DCDC芯片的电源管理方案能够有效提高电源系统的可靠性和稳定性。以国科安芯的ASP3605S和ASP4644S为例，这两款芯片具备高效能转换、宽输入电压范围以及抗辐照性能。ASP3605S效率高达94%，ASP4644S每通道可驱动4A负载，四通道并联可达16A，满足设备对电源功率的需求。在设计电源管理系统时，可根据设备的实际需求灵活选择单个或多个DCDC芯片的组合方式，实现均流和高效供电。例如，在多传感器监测系统中，可使用多个DCDC芯片分别为不同的传感器模块供电，确保每个模块都能获得稳定的电源支持。同时，通过合理的设计电路布局和布线，可以降低电源系统受到的电磁干扰和辐射影响，进一步提高电源管理系统的可靠性。

（四）基于抗辐照MCU芯片的数据采集与处理方案

抗辐照MCU芯片在核环境监测设备中承担着数据采集与处理的重要任务。以国科安芯的AS32S601为例，这款32位RISC-V指令集MCU具备高性能内核、丰富的接口资源以及抗辐照设计。其自研E7内核主频高达180MHz，内置16KiB数据缓存和16KiB指令缓存，运算性能卓越。在核环境监测设备中，MCU可通过其丰富的接口资源与各种传感器进行通信，采集核环境中的辐射剂量、温度、湿度等数据。然后利用其强大的处理能力对采集到的数据进行实时处理和分析，如数据的滤波、校准、特征提取等。同时，MCU还可将处理后的数据存储在内部存储器中，或者通过通信接口传输到远程监控中心。此外，MCU还可以对监测数据进行实时监测和预警，当检测到异常情况时，及时发出警报并采取相应的措施。

四、抗辐照技术在DCDC与MCU芯片中的应用分析

（一）DCDC芯片的抗辐照技术

电路设计加固 ：采用冗余设计，如多路备份的控制电路和功率器件，当一路受到辐照损坏时，其他路可继续工作，确保电源稳定输出。优化电路布局，增大关键器件间距，减少高能粒子同时击中多个敏感器件的概率。

半导体材料选择 ：使用宽禁带半导体材料，如碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等，其具有更宽的能隙，对辐射不敏感，能有效提高芯片抗辐照能力。在芯片制造过程中，采用抗辐照工艺，如离子注入等，增强晶圆的抗辐照性能。

（二）MCU芯片的抗辐照技术

冗余与容错设计 ：采用三模冗余（TMR）技术，将三个相同的电路模块并联，通过多数表决电路决定最终输出，屏蔽单粒子引起的错误。对关键数据和程序采用双份或多份备份存储，当一份被辐照损坏时，可切换到备份。

抗辐照设计 ：采用抗辐照的电路结构和版图设计，如增加保护环、优化晶体管尺寸和布局等，降低高能粒子对敏感区域的影响。在芯片内部集成抗辐照的保护电路，如瞬态电压抑制器等，及时吸收和耗散辐射引起的瞬态过电压，保护芯片不受损坏。

五、性能测试与评估

（一）DCDC芯片测试

对ASP3605S和ASP4644S进行全面测试，包括电源纹波、效率、负载调整率、线性调整率、输出动态负载响应、静态电流、关断电流、启动时序、保护功能等。测试结果显示，两款芯片在不同负载和输入电压条件下，均能保持低纹波、高效率和快速动态响应。以ASP3605S为例，其在5V输入、1.2V输出、2A负载下的纹波仅为13mV，效率高达94%。保护功能测试中，芯片在输出短路、过流、过压等异常情况下，能迅速触发保护机制，确保设备安全。

（二）MCU芯片测试

AS32S601的测试重点关注其抗单粒子效应能力。采用脉冲激光模拟重离子辐照，扫描芯片表面，监测其工作状态。结果显示，在5V工作条件下，芯片在激光能量提升至1585pJ（对应LET值为（75±16.25）MeV・cm²/mg）时，仅出现单粒子翻转（SEU）现象，未发生单粒子锁定（SEL），表明其具备良好的抗辐照性能。此外，对MCU的功能、时序、功耗等进行测试，结果均符合设计要求。

六、抗辐照DCDC与MCU芯片在核环境监测设备中的集成应用分析

（一）核环境监测项目中的应用

在核环境监测项目中，采用多种抗辐照DCDC与MCU芯片，如ASP3605S、ASP4644S和AS32S601等。在硬件设计方面，DCDC芯片为MCU及其他外设提供了稳定的电源。根据设备需求，设计了多相电源系统，实现均流和高效供电。MCU通过通信接口与传感器、执行器及DCDC芯片相连，合理布局线路，使用滤波、屏蔽等措施，降低噪声干扰，确保信号传输可靠。在软件设计方面，MCU上电后，初始化各模块，配置DCDC芯片的输出电压、频率等参数，建立通信连接。通过传感器采集核环境数据，如辐射剂量、温度、湿度等，经处理分析后存储或传输。利用其内置数学库和算法库，实现数据的快速处理和实时监测。例如，当传感器检测到辐射剂量超标时，MCU能迅速处理数据并通过通信接口发出警报，同时控制相关执行器采取相应的措施，如关闭核设施的某些设备或启动应急处理程序等。

（二）其他应用领域中的集成应用

抗辐照DCDC与MCU芯片不仅在核环境监测设备中有广泛应用，还在其他对可靠性要求较高的领域发挥着重要作用。例如，在航空航天领域，卫星、航天器等设备需要在太空辐射环境中长期稳定运行。抗辐照DCDC与MCU芯片能够为卫星的通信系统、导航系统、科学探测仪器等提供可靠的电源管理和控制支持，确保卫星在太空中的正常工作。在工业自动化领域，一些具有放射性的工业生产环境，如核电站、放射性物质处理工厂等，也需要使用抗辐照DCDC与MCU芯片来保证自动化设备的稳定运行，提高生产效率和安全性。在医疗领域，放射治疗设备、核医学成像设备等也需要抗辐照DCDC与MCU芯片来确保设备的精确控制和安全运行，保障患者的健康和安全。

七、结论

抗辐照DCDC与MCU芯片在核环境监测设备中具有不可替代的作用。随着科技的不断进步，抗辐照DCDC与MCU芯片将不断完善和发展。例如，进一步提高芯片的抗辐照剂量阈值，使其能够在更高强度的核辐射环境下正常工作；优化芯片的功耗性能，在保证性能的前提下降低功耗，延长设备的使用寿命等。这些技术的发展将为核环境监测设备的性能提升提供更有力的支持，推动核能事业的安全和可持续发展。

随着第四代核能系统和聚变能技术的研发与应用，对核环境监测设备的要求将更加严苛。这些新技术不仅要求芯片具备更强的抗辐照能力，还需要其能够适应更高温度、更高压力等极端环境条件。因此，芯片研发企业需要紧密关注核能技术的发展趋势，提前布局研发工作，满足未来市场的需求。同时，相关标准和规范的制定也将不断完善，对抗辐照芯片的性能指标、测试方法等提出更加严格的要求，这将有助于规范市场秩序，促进抗辐照芯片行业的健康、有序发展。

审核编辑 黄宇