商业航天级抗辐照MCU与电源芯片在硅微条探测器系统中的应用分析

摘要 ：随着空间科学探测任务向深空及高辐射环境持续拓展，硅微条探测器作为高能粒子探测的核心载荷，其配套电子系统的抗辐照能力已成为制约任务可靠性的关键技术瓶颈。本文基于国科安芯推出的商业航天级AS32S601型MCU与ASP4644S2B型DC/DC降压稳压器的地面辐照试验数据及在轨验证结果，系统分析这两款器件在单粒子效应、总剂量效应及位移损伤效应方面的抗辐照性能指标，并结合硅微条探测器前端读出电子学的典型架构，深入探讨其在探测器偏压控制、低噪声电源管理、高精度数据采集与处理、实时健康监测等环节的具体应用模式与技术实现路径。

1. 引言

空间辐射环境对航天器电子系统构成的威胁是航天工程长期面临的核心挑战之一。地球辐射带中的高能质子、银河宇宙射线中的重离子以及太阳粒子事件产生的次级中子，均会通过电离总剂量效应（Total Ionizing Dose, TID）、单粒子效应（Single Event Effects, SEE）及位移损伤效应（Displacement Damage, DD）等多种机制引发半导体器件性能退化或功能异常。硅微条探测器作为空间高能物理、天体物理及空间环境监测任务中的关键传感器件，其前端电子学系统需在-55℃至+125℃宽温域及强辐射环境下实现低噪声、高精度、高可靠的电荷测量与数据获取。传统宇航级元器件虽具备优异的抗辐照能力，但存在供应链受限、成本高昂、技术迭代缓慢等问题，难以满足商业航天快速响应、低成本、批量化应用的实际需求。近年来，以国科安芯为代表的国内厂商通过抗辐照加固设计技术，推出符合商业航天质量等级的AS32S601型32位RISC-V MCU与ASP4644S2B型四通道DC/DC降压稳压器，并在地面加速器试验与真实在轨任务中完成性能验证，为硅微条探测器系统的国产化与商业化提供了可行的技术路径与工程解决方案。

2. 空间辐射环境对硅微条探测器电子系统的辐照效应机理分析

硅微条探测器系统通常由探测器本体、前端模拟专用集成电路（ASIC）、模数转换单元、数据处理微控制器、高压偏置模块及二次电源管理单元构成。在空间轨道环境中，电子元器件主要面临三类辐照效应的严重威胁：

2.1 单粒子效应（SEE）

高能带电粒子穿过器件敏感区时，通过直接电离作用或核反应产生电荷沉积，引发单粒子翻转（SEU）、单粒子锁定（SEL）、单粒子功能中断（SEFI）等软错误，或单粒子烧毁（SEB）、单粒子栅穿（SEGR）等硬失效。对于深亚微米工艺节点的CMOS器件，SEL阈值通常低于15 MeV·cm²/mg，而SEU饱和截面在LET=20-40 MeV·cm²/mg区间达到峰值。在硅微条探测器系统中，MCU程序跑飞或电源芯片锁定将直接导致探测数据丢失、探测器高压异常或前端ASIC配置错乱，可能引发永久性损伤或任务级故障。

2.2 总剂量效应（TID）

γ射线及质子长期累积电离作用会在MOSFET栅氧层中引入氧化物陷阱电荷与界面态，导致阈值电压漂移、跨导退化、泄漏电流增加等参数劣化。对于未经加固的商用器件，TID失效阈值普遍低于30 krad(Si)，而典型近地轨道年累积剂量可达数十krad(Si)，地球同步轨道年剂量更高。电源管理芯片的输出精度与效率对TID引起的MOSFET特性退化尤为敏感。

2.3 位移损伤效应（DD）

高能质子及中子通过非电离能量损失（NIEL）在晶格中引入缺陷，影响少数载流子寿命与迁移率，对双极型器件及光电器件影响尤为显著。虽然对数字CMOS器件影响相对较小，但在长期任务中仍不可忽视其累积效应。

硅微条探测器系统对SEE敏感性强，对电源稳定性要求极高，因此器件抗辐照能力必须覆盖轨道最恶劣情况下的LET谱与累积剂量分布。

3. 商业航天级AS32S601型MCU抗辐照性能试验验证

3.1 器件架构与功能特性

AS32S601ZIT2型MCU基于32位RISC-V E7内核，集成16 KiB指令缓存与16 KiB数据缓存，工作频率最高可达180 MHz。芯片配置2 MiB P-Flash、512 KiB D-Flash及512 KiB SRAM存储器资源，均配备ECC校验功能，可有效抑制SEU引发的存储位翻转。外设资源包括3路12位ADC（最高48通道）、4路CAN-FD、6路SPI（速率最高30 MHz）、4路USART及2路I²C接口，完全满足硅微条探测器多通道数据采集与总线通信需求。器件采用LQFP144封装，标称工作电压2.7-5.5 V，商业航天级版本在-55℃至+125℃温区范围内满足AEC-Q100 Grade 1认证要求，并提供国产化证明。

3.2 单粒子效应试验结果分析

根据中国原子能科学研究院100 MeV质子回旋加速器试验报告（编号2025-ZZ-BG-005），AS32S601ZIT2在注量率1×10⁷ p·cm⁻²·s⁻¹、总注量1×10¹⁰ p/cm²的严酷条件下，未监测到单粒子锁定或功能中断事件。试验采用动态功能监测模式，实时运行FLASH/RAM擦写与CAN通信测试程序，工作电流稳定在135 mA，辐照前后电参数偏差小于3%。结合脉冲激光模拟试验数据（编号ZKX-2024-SB-21），当等效LET值提升至75 MeV·cm²/mg时，监测到CPU复位现象，判定为SEFI事件，但SEL阈值高于75 MeV·cm²/mg，满足QJ10005A-2018标准中对GEO轨道器件的SEE指标要求。试验样品数量为1只，虽达到鉴定试验最低要求，但在批量应用中需关注工艺批次一致性。

3.3 总剂量效应试验结果分析

在北京大学技术物理系钴60源辐照平台完成的TID试验（编号ZKX-TID-TP-006）表明，AS32S601ZIT2在25 rad(Si)/s剂量率下累积至150 krad(Si)，并经过50%过辐照（225 krad(Si)）及168小时高温退火后，静态工作电流、CAN通信误码率及ADC转换精度均未超出规范限值。试验数据显示，3.3 V供电下工作电流仅由135 mA微降至132 mA，FLASH写入保持正常，证明其氧化层加固设计与陷阱电荷抑制技术的有效性。数据手册承诺TID指标≥150 krad(Si)，地面验证结果保守支持该指标，适用于5-8年近地轨道任务或更短周期的深空探测任务。

3.4 与硅微条探测器系统的适配性分析

在硅微条探测器前端电子学中，AS32S601可承担多项关键功能，显著提升系统集成度与可靠性：

3.4.1 数据获取与处理控制 通过SPI接口可实时配置前端ASIC（如VA、VF系列或国产等效型号）的工作参数，包括增益、成形时间、通道使能等。利用180 MHz主频与16 KiB缓存，可实现128通道以上并行读出，触发率支持达100 kHz，满足空间高能物理实验对高计数率的要求。ECC保护的SRAM确保在SEE高发环境下程序运行不中断。

3.4.2 高压偏置管理 通过内置的12位DAC输出0-5 V模拟电压，经外部高压模块升压后为探测器提供50-200 V反向偏置电压。同时利用带ECC的ADC实时监测探测器漏电流，当探测到异常增大时可快速切断高压，避免探测器永久性击穿损伤。

3.4.3 数据打包与下行通信 CAN-FD接口支持2 Mbps传输速率，采用灵活数据速率与CRC校验，将压缩后的命中数据发送至星载计算机。相较于传统RS422接口，传输效率提升约40%，且总线拓扑简化，布线复杂度降低。

3.4.4 在轨健康监测与故障诊断 实时采集各关键芯片的工作温度、电源电压及单粒子事件计数，存储于带ECC的SRAM中。通过内置DSU硬件加密模块，确保监测数据完整性，防止SEFI导致数据链路错乱，支持在轨故障注入诊断与寿命预测。

4. 商业航天级ASP4644S2B型DC/DC降压稳压器抗辐照性能试验验证

4.1 器件架构与功能特性

ASP4644S2B采用BGA77集成封装，集成4路独立降压通道，每路最大输出电流4 A（峰值5 A），单路最高效率可达95%。芯片支持4-14 V宽输入电压范围，输出电压通过外部电阻分压器在0.6-5.5 V间精确调节。关键保护功能包括逐周期过流保护（OCP，阈值7 A）、过温关断（OTP，阈值160℃）及PGOOD窗口监测（±10%）。1 MHz固定开关频率可通过CLKIN外部同步至700 kHz-1.3 MHz，多通道间固定180°相移，支持4路并联输出16 A大电流模式，均流精度优于±5%。

4.2 单粒子效应试验结果分析

重离子试验（编号2025FZ009）在中国原子能科学研究院HI-13串列加速器上完成，采用74Ge离子，LET=37.4 MeV·cm²/mg，总注量8.3×10⁶ ions/cm²。在线监测显示，工作电流随注量缓慢上升至300 mA后，停止辐照可恢复至正常值71 mA，判定为电离电荷累积导致的瞬态扰动而非SEL。输出电压1.5 V保持稳定，未出现SEB。质子试验（编号2025-ZZ-BG-003）在100 MeV、1×10¹⁰ p/cm²条件下同样未触发锁定，RESET功能正常。试验表明SEL阈值高于37.4 MeV·cm²/mg，但产品手册承诺值≥75 MeV·cm²/mg，试验仅验证了部分区间，极重离子环境下的安全性需进一步评估。

4.3 总剂量效应试验结果分析

钴60辐照试验（编号ZKX-TID-TP-0005）在25 rad(Si)/s剂量率下累积至125 krad(Si)，器件未开盖测试。试验数据显示，12 V输入、1.5 V/4 A输出条件下，静态电流72 mA辐照前后无变化，电压调整率与负载调整率优于0.4%，输出纹波＜5 mV。过辐照至150 krad(Si)并经历168小时125℃退火后，过流保护阈值偏差＜5%，证明内部MOSFET与电流检测电路的TID加固有效性。数据手册承诺TID≥125 krad(Si)，试验结果与其一致，保守估计可满足8-10年近地轨道任务或3年地球同步轨道任务需求。

4.4 与硅微条探测器电源系统的适配性

ASP4644S2B在探测器供电中的技术优势体现在多个方面：

4.4.1 多路独立供电架构 4路独立输出可分别为前端ASIC模拟电源（3.3 V）、数字电源（1.8 V）、FPGA内核（1.2 V）及偏压模块（5 V）供电，实现电源分区管理。当某一路因SEE发生瞬态故障时，PGOOD信号可触发MCU中断，快速隔离故障通道，避免连锁反应导致系统崩溃。

4.4.2 并联均流能力 对于功耗超过4 A的高性能FPGA或ASIC，4路并联可提供16 A持续电流，并联均流精度±5%，确保热应力分布均匀。内部电流模式控制环路无需外部均流芯片，简化电路设计并提升可靠性。

4.4.3 软启动与跟踪功能 通过TRACK/SS引脚实现4路上电时序精确控制，启动时间可编程至17.4 ms，避免多路同时启动产生浪涌电流超过卫星母线负载能力。支持重合跟踪与比例跟踪模式，满足FPGA内核先于I/O上电的时序要求，防止闩锁效应。

4.4.4 抗辐射鲁棒性 在空间应用中，电源芯片SEL将导致整星断电重启，影响任务连续性。ASP4644的SEL-free特性可省略冗余电源切换开关，简化系统设计，提升电源转换效率2-3个百分点。

5. 结论

AS32S601型MCU与ASP4644S2B型DC/DC降压稳压器凭借在地面试验中验证的抗辐照性能（SEL阈值＞37.4 MeV·cm²/mg，TID＞125 krad(Si)），为硅微条探测器系统提供了高可靠、低成本的国产化解决方案。其高集成度架构显著降低了系统复杂度与制造成本，适合商业航天小卫星及微纳载荷的批量部署。工程实践表明，该方案在近地轨道空间科学探测任务中具有明确的技术可行性与经济优势。

审核编辑 黄宇