ASM1042S2S芯片在轨应用性能实证与抗辐照能力验证

摘要

随着航天技术的发展，空间电子器件面临着复杂的辐射环境挑战。CANFD协议作为一种高效通信技术，广泛应用于航天、工业和医疗等领域。本文系统分析了国科安芯推出的ASM1042S2S型CANFD芯片在复杂空间环境下的抗辐照性能及其在轨应用表现。研究涵盖了总剂量辐照效应、重离子单粒子效应、质子单粒子效应、脉冲激光单粒子效应试验以及实际在轨运行数据，探讨了ASM1042S2S芯片的空间环境适应性及其在航天领域的应用潜力。研究结果表明，该芯片在多种辐照环境下均表现出优异的抗辐照能力，且在轨运行稳定，能够满足商业航天级应用需求。

1. 引言

随着航天技术的快速发展，空间系统对电子器件的可靠性和抗辐照性能提出了越来越高的要求。空间环境中的高能粒子辐照会导致电子器件性能退化甚至失效，这对航天任务的成功构成严重威胁。CANFD（Controller Area Network with Flexible Data-Rate）作为一种高效通信协议，因其高速率和高可靠性，在航天、工业和医疗等领域得到了广泛应用。

ASM1042S2S芯片是国科安芯研制的一款抗辐照CANFD通信接口芯片。该芯片支持5Mbps的通信速率，具有低功耗待机模式及远程唤醒功能，采用VIS 0.15μm BCD工艺制造，封装形式为SOP8L，工作温度范围为-55℃至+125℃。其设计与国际主流产品（如TJA1042和TCAN1042）完全兼容，且全流程国产化。本文基于多轮辐照试验及在轨应用数据，系统性地分析了ASM1042S2S芯片的空间环境适应性及其抗辐照性能。

2. 芯片技术背景与应用需求

2.1 CANFD协议的航天应用

CANFD协议是传统CAN协议的扩展版本，支持更高的数据速率（最高8Mbps）和更大的数据负载（最多64字节）。其在航天领域的应用主要集中在卫星通信系统、星载计算机网络以及空间探测器的数据传输中。相比传统CAN协议，CANFD在数据传输效率和实时性方面的提升显著，能够满足现代航天任务对高速数据传输的需求。

2.2 空间环境对电子器件的挑战

空间环境中的高能粒子辐照是影响电子器件可靠性的主要因素之一。总剂量效应（TID）会导致器件参数的长期退化，而单粒子效应（SEE）则可能引发瞬时功能故障或永久性损坏。因此，抗辐照能力成为航天级电子器件的关键性能指标。

2.3 ASM1042S2S芯片的研发背景

为了满足国内航天领域对高性能、抗辐照CANFD通信芯片的需求，国科安芯研制了ASM1042S2S芯片。该芯片不仅在设计上实现了与国际主流产品的兼容性，还通过了多项抗辐照试验验证，展现了良好的空间环境适应性。

3. 总剂量辐照效应试验

3.1 试验背景与目的

总剂量效应（Total Ionizing Dose, TID）是指电子器件在长期累积辐照下性能逐渐退化的现象。空间环境中的高能γ射线和X射线是总剂量效应的主要来源。为了验证ASM1042S2S芯片在总剂量辐照下的可靠性，试验依据GJB548C-2023和QJ10004A-2018标准，采用钴60γ射线源进行辐照。

3.2 试验方法与条件

试验中，辐照剂量率为25rad(Si)/s，总剂量分别为100krad(Si)和150krad(Si)。试验环境温度为24℃±6℃，样品在辐照前后均进行了电参数和功能测试。测试项目包括显性功耗、隐性功耗、环路延时、输出电压对称性等。

3.3 试验结果与分析

试验结果显示，在辐照剂量达到150krad(Si)后，ASM1042S2S芯片的电参数和功能均未出现明显变化。退火后，芯片的性能和外观均符合设计要求。这表明芯片在总剂量辐照环境下具有优异的抗辐照能力。与同类芯片相比，ASM1042S2S在总剂量辐照下的性能表现更为稳定，能够满足商业航天级应用的需求。

4. 重离子单粒子效应试验

4.1 试验背景与目的

单粒子效应（Single Event Effect, SEE）是空间环境中高能粒子（如重离子、质子）与器件敏感区相互作用引发的瞬时或永久性故障。常见的单粒子效应包括单粒子锁定（SEL）、单粒子翻转（SEU）和单粒子功能中断（SEFI）。为了评估ASM1042S2S芯片的抗SEE能力，试验依据QJ10005A-2018标准进行。

4.2 试验方法与条件

试验采用Ge离子束，LET值为37.4MeV·cm²/mg，注量为1×10⁷ ion/cm²。试验过程中，实时监测芯片的工作电流和功能状态，测试内容包括通信数据收发准确性及电流变化。

4.3 试验结果与分析

试验结果显示，在LET值为37.4MeV·cm²/mg的辐照条件下，ASM1042S2S芯片未发生SEL或SEU现象。其SEL和SEU阈值均大于37.4MeV·cm²/mg，表明芯片在单粒子效应方面具有较高的抗敏感性。与同类芯片相比，ASM1042S2S在高LET值条件下的表现更为优异。

5. 质子单粒子效应试验

5.1 试验背景与目的

质子辐照是空间环境中的另一种重要威胁。质子单粒子效应试验旨在验证芯片在质子辐照环境下的抗辐照能力。

5.2 试验方法与条件

试验依据GJB548B标准，采用100MeV质子束，注量率为1×10⁷ ion/cm²，总注量为1×10¹⁰ ion/cm²。试验过程中实时监测芯片的工作状态，测试内容包括功能正常性和参数变化。

5.3 试验结果与分析

试验结果显示，在100MeV质子辐照下，ASM1042S2S芯片功能正常，未出现单粒子效应。这表明芯片在质子辐照环境下具有优异的抗辐照能力。与同类芯片相比，ASM1042S2S在质子辐照下的性能表现更为稳定。

6. 脉冲激光单粒子效应试验

6.1 试验背景与目的

脉冲激光单粒子效应试验通过模拟高能粒子的线性能量转移（LET）效应，进一步验证芯片在单粒子环境下的抗干扰能力。

6.2 试验方法与条件

试验依据GB/T43967-2024标准，采用皮秒脉冲激光器，LET值范围为5至100MeV·cm²/mg。试验过程中实时记录芯片的工作电流、功能状态及激光能量扫描结果。

6.3 试验结果与分析

试验结果显示，ASM1042S2S芯片在LET值为100MeV·cm²/mg的辐照条件下未出现单粒子效应。这表明芯片在高LET值辐照环境下具有较高的抗干扰能力。

7. 在轨应用实证

7.1 应用背景

ASM1042S2S芯片已在地质遥感智能小卫星TY29（天仪29星）和光学遥感卫星TY35（天仪35星）中搭载应用。这两颗卫星分别于2025年5月发射，主要用于高光谱地质遥感和光学图像采集。

7.2 在轨表现

在轨运行数据显示，芯片在空间环境中表现出优异的抗辐照性能，其通信速率稳定在5Mbps，功耗性能符合设计要求。芯片在高能粒子环境下的长期运行表现验证了其实用性和可靠性。

7.3 应用分析

7.3.1 地质遥感领域

在地质遥感智能小卫星TY29中，ASM1042S2S芯片用于高光谱地质遥感数据的传输。高光谱遥感数据通常具有高数据量和高实时性要求，芯片的高数据速率和稳定性确保了数据的高效采集与传输。

7.3.2 光学遥感领域

在光学遥感卫星TY35中，芯片用于光学图像数据的传输。光学遥感图像数据对传输的可靠性和准确性要求极高，芯片的抗辐照性能确保了数据传输的稳定性，尤其是在复杂的空间辐射环境下。

7.3.3 商业航天应用

芯片的抗辐照能力和低功耗特性使其在商业航天领域具有广泛应用前景。其国产化设计降低了对进口器件的依赖，为我国商业航天发展提供了重要支持。

8. 芯片性能测试

8.1 测试环境与设备

测试环境包括稳压电源、信号发生器、示波器、万用表以及CAN分析仪等设备。所有设备均在检定有效期内，确保了测试数据的准确性。

8.2 测试项目与结果

芯片性能测试包括对称性测试、低功耗唤醒测试、功耗性能测试、开关性能测试、ESD测试、高低温测试以及多节点通信测试。测试结果显示，芯片在常温、高温（125℃）及低温（-55℃）环境下均能正常工作，且在25节点多节点通信测试中未出现数据传输错误。关键性能指标如功耗、延时、输出电压对称性等均优于设计要求。

8.3 性能测试的学术意义

芯片性能测试不仅验证了其在复杂环境下的可靠性，还为其在多节点通信系统中的应用提供了数据支持。测试结果表明，ASM1042S2S芯片能够满足高安全应用场景（如机器人、工业控制和医疗设备）的需求。

9. 结论与展望

ASM1042S2S芯片是一款具有优异抗辐照性能的国产化CANFD通信接口芯片。其在总剂量辐照、单粒子效应、质子辐照以及脉冲激光辐照试验中均表现出较高的抗干扰能力，同时在轨运行数据验证了其在空间环境下的可靠性和稳定性。未来，随着商业航天和遥感技术的发展，ASM1042S2S芯片有望在更多任务中发挥重要作用，为我国航天电子器件的国产化进程提供支持。

审核编辑 黄宇