摘要

低軌衛(wèi)星星座技術的快速發(fā)展對電子器件的可靠性和抗輻照性能提出了嚴峻挑戰(zhàn)。針對低軌衛(wèi)星光模塊控制中的核心器件——MCU芯片，本文以國科安芯推出的基于32位RISC-V架構的AS32S601 ZIT2型MCU為例，系統(tǒng)性地研究了其在抗輻照環(huán)境中的性能表現(xiàn)。通過對質子單粒子效應試驗、總劑量效應試驗以及單粒子效應脈沖激光試驗的綜合評估，分析了該芯片在復雜輻照環(huán)境下的可靠性與適用性。

1. 引言

低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)因其在通信、導航、遙感等領域的廣泛應用而備受關注。然而，低軌衛(wèi)星運行環(huán)境復雜，其光模塊控制系統(tǒng)需承受高能粒子輻射的影響，這對核心MCU芯片的抗輻照能力提出了極高要求。MCU作為光模塊控制的核心器件，其可靠性直接影響衛(wèi)星系統(tǒng)的穩(wěn)定性與壽命。因此，研究MCU芯片的抗輻照性能對提升低軌衛(wèi)星系統(tǒng)的可靠性具有重要意義。

近年來，隨著商業(yè)航天的興起，對高性價比、高可靠性的MCU芯片需求日益增長。AS32S601 ZIT2型MCU作為一款專為商業(yè)航天級應用設計的高性能芯片，采用先進抗輻照加固技術，具備高安全、低失效、多IO、低成本等特點。本文旨在通過系統(tǒng)的輻照試驗與性能評估，探討該芯片在低軌衛(wèi)星光模塊控制中的應用潛力。

2. AS32S601 ZIT2型MCU芯片技術特性

2.1 芯片概述

AS32S601 ZIT2型MCU由國科安芯開發(fā)的一款基于32位RISC-V指令集的高性能MCU。該芯片工作頻率高達180MHz，支持2.7V~5.5V寬電壓輸入，并具備多樣的功能模塊，包括512KiB內部SRAM（帶ECC）、512KiB D-Flash（帶ECC）、2MiB P-Flash（帶ECC）、3個12位ADC（支持48通道模擬輸入）、2個模擬比較器（ACMP）、2個8位DAC以及豐富的通信接口（SPI、CAN、USART、IIC等）。其設計符合AEC-Q100 Grade 1認證標準，適用于商業(yè)航天、工業(yè)控制等高可靠性需求場景。

2.2 抗輻照設計與可靠性

AS32S601 ZIT2型MCU采用先進抗輻照加固技術，具備以下關鍵特性：

ECC校驗 ：內部SRAM和Flash均集成ECC校驗功能，可有效提升數(shù)據(jù)存儲的可靠性。

多級電源管理模式 ：支持RUN、SRUN、SLEEP、DEEP SLEEP四種模式，降低功耗的同時提升抗輻照能力。

硬件加密模塊 ：集成AES、SM2/3/4和TRNG功能，保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/p>

高能粒子防護設計 ：通過優(yōu)化電路布局和工藝設計，提升芯片對高能粒子的抗干擾能力。

2.3 應用場景分析

低軌衛(wèi)星光模塊控制對MCU芯片提出了多方面的要求：

高可靠性 ：光模塊控制涉及數(shù)據(jù)傳輸、信號處理等關鍵任務，要求MCU具備高可靠性。

抗輻照能力 ：低軌衛(wèi)星運行環(huán)境中存在高能粒子輻射，可能導致芯片功能異?；蚴?。

低功耗 ：衛(wèi)星能源有限，MCU需具備低功耗特性以延長衛(wèi)星壽命。

多接口支持 ：光模塊控制需要與多種設備進行通信，MCU需具備豐富的接口資源。

AS32S601 ZIT2型MCU憑借其高性能、低功耗和抗輻照設計，能夠滿足上述需求，適用于低軌衛(wèi)星光模塊控制等高安全需求場景。

3. 抗輻照性能試驗與分析

3.1 質子單粒子效應試驗

質子單粒子效應試驗是評估芯片抗輻照能力的重要手段之一。本試驗采用100MeV質子加速器對AS32S601 ZIT2型MCU芯片進行輻照，旨在評估其在單粒子效應環(huán)境下的性能表現(xiàn)。

3.1.1 試驗方法與條件

試驗在中國原子能科學研究院的100MeV質子回旋加速器上進行，輻照面積為20cm×20cm，質子能量范圍為10-100MeV，注量率為5E5-5E9 P·cm?2·s?1。試驗環(huán)境溫度為15℃~35℃，相對濕度為20%~80%，滿足GB18871-2002標準要求。試驗樣品在輻照前需完成常溫功能測試，確保其初始性能正常。

3.1.2 試驗結果

試驗結果顯示，在100MeV質子能量、1e7注量率和1e10總注量條件下，AS32S601 ZIT2型MCU功能正常，未出現(xiàn)單粒子效應。試驗后，芯片的電參數(shù)和功能均保持穩(wěn)定，工作電流為135mA，CAN接口正常通信，F(xiàn)LASH/RAM功能正常。結果表明，該芯片具備優(yōu)異的抗質子單粒子效應能力。

3.2 總劑量效應試驗

總劑量效應試驗用于評估芯片在長期積累輻照環(huán)境下的耐受能力。本試驗采用鈷60γ射線源對AS32S601 ZIT2型MCU芯片進行輻照，輻照劑量率為25rad(Si)/s，總劑量分別為100krad(Si)和150krad(Si)，以評估芯片的抗總劑量性能。

3.2.1 試驗方法與條件

試驗在北京大學技術物理系鈷源平臺上進行，輻照劑量測試采用電離室和熱釋光劑量計，測量不確定度小于5%。試驗環(huán)境溫度為24℃±6℃，滿足QJ10004A-2018標準要求。試驗樣品在輻照前后進行常溫功能測試，測試項目包括工作電流、CAN通信性能、FLASH/RAM擦寫功能等。

3.2.2 試驗結果

試驗結果顯示，在100krad(Si)和150krad(Si)總劑量條件下，AS32S601 ZIT2型MCU功能正常，工作電流為132mA，CAN接口通信正常，F(xiàn)LASH/RAM功能正常。試驗后，芯片經(jīng)過室溫退火和高溫退火處理，性能和外觀均合格。結果表明，該芯片的抗總劑量輻照能力大于150krad(Si)，滿足商業(yè)航天級應用需求。

3.3 單粒子效應脈沖激光試驗

單粒子效應脈沖激光試驗是另一種評估芯片抗輻照性能的有效方法。本試驗采用皮秒脈沖激光器，模擬高能粒子對芯片的輻照效應，通過激光能量與重離子LET值的對應關系，評估芯片的抗單粒子效應能力。

3.3.1 試驗方法與條件

試驗在北京中科芯的脈沖激光實驗室進行，采用皮秒脈沖激光器，激光能量范圍為120pJ至1830pJ，對應LET值為5±1.25 MeV·cm2·mg?1至75±18.75 MeV·cm2·mg?1。試驗環(huán)境溫度為24℃，濕度為42%RH，滿足GB/T43967-2024標準要求。試驗樣品通過三維移動臺進行掃描，激光光斑覆蓋芯片表面，實時監(jiān)測芯片工作電流變化。

3.3.2 試驗結果

試驗結果顯示，在激光能量為120pJ（對應LET值為5±1.25 MeV·cm2·mg?1）至1585pJ（對應LET值為75±16.25 MeV·cm2·mg?1）條件下，AS32S601型MCU發(fā)生單粒子翻轉（SEU）現(xiàn)象，但未出現(xiàn)單粒子鎖定（SEL）效應。試驗后，芯片功能恢復正常，工作電流為100mA，CAN接口通信正常，F(xiàn)LASH/RAM功能正常。結果表明，該芯片在單粒子效應環(huán)境下的可靠性較高。

4. 數(shù)據(jù)分析與討論

4.1 抗輻照性能綜合評估

通過對質子單粒子效應試驗、總劑量效應試驗和單粒子效應脈沖激光試驗結果的綜合分析，AS32S601 ZIT2型MCU在以下方面表現(xiàn)出優(yōu)異的抗輻照性能：

單粒子效應 ：在100MeV質子輻照環(huán)境下，芯片功能正常，未出現(xiàn)單粒子效應。

總劑量效應 ：芯片抗總劑量輻照能力大于150krad(Si)，退火后性能和外觀均合格。

單粒子翻轉效應 ：在LET值為75±16.25 MeV·cm2·mg?1條件下，芯片發(fā)生單粒子翻轉現(xiàn)象，但未出現(xiàn)單粒子鎖定效應，且功能可恢復。

4.2 應用場景分析

4.2.1 低軌衛(wèi)星光模塊控制需求

低軌衛(wèi)星光模塊控制系統(tǒng)需要具備以下關鍵特性：

高可靠性 ：光模塊負責衛(wèi)星間數(shù)據(jù)傳輸，MCU需具備高可靠性以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

抗輻照能力 ：低軌衛(wèi)星運行環(huán)境中存在高能粒子輻射，可能導致芯片功能異常或失效。

低功耗 ：衛(wèi)星能源有限，MCU需具備低功耗特性以延長衛(wèi)星壽命。

多接口支持 ：光模塊控制需要與多種設備進行通信，MCU需具備豐富的接口資源。

AS32S601 ZIT2型MCU憑借其高性能、低功耗和抗輻照設計，能夠滿足上述需求，適用于低軌衛(wèi)星光模塊控制等高安全需求場景。

4.2.2 芯片在其他高可靠需求場景的潛力

除低軌衛(wèi)星光模塊控制外，AS32S601 ZIT2型MCU還可應用于以下高可靠需求場景：

工業(yè)自動化 ：在工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中，MCU需具備高抗干擾能力和低功耗特性，以適應復雜的工作環(huán)境。

核電站監(jiān)控 ：核電站監(jiān)控系統(tǒng)對芯片的抗輻照能力和可靠性要求極高，AS32S601 ZIT2型MCU的抗總劑量輻照能力使其在該領域具有應用潛力。

5. 結論與展望

5.1 研究結論

AS32S601 ZIT2型MCU是一款專為商業(yè)航天級應用設計的高性能MCU芯片。通過對質子單粒子效應試驗、總劑量效應試驗和單粒子效應脈沖激光試驗的綜合評估，該芯片展現(xiàn)出優(yōu)異的抗輻照性能和高可靠性，能夠滿足低軌衛(wèi)星光模塊控制的需求。具體結論如下：

在質子單粒子效應試驗中，芯片功能正常，未出現(xiàn)單粒子效應。

在總劑量效應試驗中，芯片抗總劑量輻照能力大于150krad(Si)，退火后性能和外觀均合格。

在單粒子效應脈沖激光試驗中，芯片發(fā)生單粒子翻轉現(xiàn)象，但未出現(xiàn)單粒子鎖定效應，且功能可恢復。

5.2 未來展望

隨著低軌衛(wèi)星星座技術的進一步發(fā)展，對高性能、抗輻照MCU芯片的需求將持續(xù)增長。未來，AS32S601 ZIT2型MCU有望在更多航天應用場景中發(fā)揮重要作用。同時，隨著RISC-V架構的不斷發(fā)展與優(yōu)化，基于該架構的MCU芯片將在抗輻照性能和功能多樣性方面取得更大突破，為低軌衛(wèi)星光模塊控制及其他高可靠需求場景提供更優(yōu)質的解決方案。

審核編輯 黃宇