摘要

商業航天領域的發展對電子系統的可靠性和抗輻照能力提出了更高要求。本文深入探討了抗輻照加固CANFD芯片如何借助車規級設計，增強商業航天系統的可靠性。本文以國科安芯CANFD芯片ASM1042為例，通過對芯片單粒子效應脈沖激光試驗報告、數據手冊及芯片測試報告的分析，闡述車規級設計在提升芯片抗輻照性能、功能安全性和環境適應性等方面的關鍵作用，為商業航天電子設備的國產化和高性能發展提供了理論依據和技術支持。

關鍵詞：抗輻照加固；CANFD芯片；車規級設計；商業航天；可靠性；單粒子效應

一、引言

商業航天的蓬勃發展推動了對高性能、高可靠電子系統的需求。然而，太空輻射環境中的單粒子效應等輻射誘導故障對電子器件的可靠性構成了嚴重威脅。CANFD芯片作為一種高性能通信芯片，在汽車電子領域已廣泛應用，其在商業航天中的應用潛力巨大。車規級設計標準因其嚴苛的可靠性要求，為提升商業航天系統可靠性提供了新的思路。

二、車規級設計標準概述

車規級設計標準，如ISO26262功能安全設計要求，AEC-Q100明確汽車電子領域在嚴苛環境下芯片可靠工作的規范。AEC-Q100標準涵蓋了一系列測試和驗證流程，包括高溫、低溫、溫度循環、濕度、振動等環境測試，以及電氣性能、可靠性、抗干擾能力等方面的評估，旨在確保器件在整個使用壽命內穩定工作。這些標準不僅適用于汽車電子產品，也為商業航天等高可靠性需求領域提供了寶貴的借鑒。

三、CANFD芯片的單粒子效應實驗分析

（一）試驗目的與方法

單粒子效應脈沖激光試驗旨在評估抗輻照加固CANFD芯片在模擬太空輻射環境下的抗單粒子效應能力。試驗采用皮秒脈沖激光單粒子效應試驗裝置，運用激光正面輻照試驗方法，選取不同LET值的等效激光能量對芯片進行輻照，通過觀察芯片在不同能量級別下的工作狀態變化，判定其是否發生單粒子效應現象。試驗嚴格控制環境條件，并采用先進的試驗裝置確保激光精確輻照到芯片表面，同時實時監測芯片的電學性能變化。

（二）試驗結果與分析

TCAN1042HGVD型芯片：同樣在5V工作條件下，初始激光能量為120pJ時進行全芯片掃描，未出現單粒子效應。隨著能量提升至610pJ（對應LET值為（25±6.25）MeV·cm2/mg），芯片發生單粒子功能中斷（SEFI）現象，繼續提高能量至920pJ時出現單粒子鎖定（SEL）現象。這說明該芯片在較低能量級別下就可能出現SEFI故障。

ASM1042S型芯片：在5V工作條件下，從激光能量120pJ開始掃描直至最高能量3050pJ（對應LET值為（100±25）MeV·cm2/mg），未出現單粒子效應。這一結果凸顯了ASM1042S型芯片在抗輻照性能上的顯著優勢，能夠在較寬范圍的輻射能量下保持穩定的工作狀態。

（三）車規級設計在抗輻照性能提升中的作用

車規級設計標準通過要求芯片在設計和制造過程中考慮多種環境因素和潛在故障模式，從而間接提升了芯片的抗輻照能力。例如，車規級芯片通常會采用更先進的半導體工藝，優化晶體管結構，減少敏感體積，從而降低單粒子效應引發故障的概率。同時，車規級設計強調對芯片內部電路的冗余設計和錯誤檢測與糾正機制，這些措施在面對輻射誘導的瞬時故障時，能夠有效檢測并糾正錯誤，提高系統的魯棒性。此外，車規級芯片在封裝設計上也更注重屏蔽效果，進一步增強芯片對輻射的抵御能力。

四、抗輻照加固CANFD芯片ASM1042的參數解析

（一）芯片基本信息與特點

抗輻照加固CANFD芯片ASM1042具備以下特點：

認證與標準：通過AEC-Q100Grade1認證，符合ISO11898-2:2016和ISO11898-5:2007物理層標準。

功能安全與數據速率：支持5Mbps的數據速率，較短的對稱傳播延遲時間和快速循環次數可增加時序裕量。

電磁兼容性（EMC）：支持SAEJ2962-2和IEC62228-3（最高500kbps）無需共模扼流圈。

電源電壓兼容性：I/O電壓范圍支持3.3V和5VMCU。

未供電時的理想無源行為：總線和邏輯引腳處于高阻態（無負載），在總線和RXD輸出上實現上電/斷電無干擾運行。

保護特性：包括靜電放電（ESD）保護、總線故障保護、欠壓保護、驅動器顯性超時（TXDDTO）、熱關斷保護（TSD）等。

抗輻照性能：企業宇航級的抗輻照性能指標顯示，單粒子翻轉（SEU）≥75MeV·cm2/mg或10??次/器件·天，單粒子鎖定（SEL）≥75MeV·cm2/mg。

（二）車規級設計對芯片可靠性的貢獻

車規級設計在芯片的多個方面提升了其可靠性：

嚴格的測試流程：AEC-Q100等標準要求芯片經過一系列rigorous的測試，確保其在極端溫度、濕度、振動等環境下的穩定性。這種測試流程幫助識別潛在的制造缺陷和設計弱點，從而提高芯片的整體質量。

高冗余設計：車規級芯片通常會設計更多的冗余電路，以應對可能發生的故障。在商業航天應用中，這種冗余設計可以提供額外的保障，當部分電路受到輻射影響時，冗余電路可以接管工作，確保通信功能不受影響。

先進的半導體工藝：為了滿足汽車電子對性能和可靠性的要求，車規級芯片往往采用更先進的半導體制造工藝。這些工藝在提高芯片性能的同時，也增強了其對輻射的抵抗力，因為更小的晶體管尺寸和更優化的結構可以減少輻射引起的電荷收集和電流脈沖。

五、車規級設計如何提升商業航天系統可靠性

（一）可靠性要求的相似性

商業航天系統和汽車電子系統都面臨著復雜的工作環境和高可靠性要求。汽車電子需要應對高溫、低溫、振動、電磁干擾等嚴苛條件，而商業航天器則需要在太空輻射、真空、極端溫度等環境下穩定運行。車規級設計標準正是為了滿足這些嚴苛條件而制定的，其對可靠性的要求與商業航天系統的需求高度契合。因此，將車規級設計應用于商業航天芯片設計中，能夠在很大程度上滿足航天系統對可靠性的要求。

（二）設計與制造流程的借鑒

車規級設計強調從芯片設計階段就開始考慮可靠性因素，并貫穿整個制造和測試流程。這種設計理念要求設計師在芯片架構設計、電路布局、工藝選擇等方面都充分考慮潛在的故障模式和環境影響。例如，在設計階段采用冗余設計、錯誤檢測與糾正機制等手段提高系統的容錯能力；在制造過程中嚴格控制工藝參數，確保芯片的一致性和穩定性；在測試階段進行全方位的性能和可靠性測試，及時發現和解決潛在問題。這些嚴謹的設計與制造流程為商業航天芯片的可靠性提升提供了寶貴的借鑒。

（三）抗輻照性能的協同提升

雖然車規級設計并非專門針對太空輻射環境，但其在提升芯片整體可靠性方面的措施與抗輻照設計存在協同效應。如前面所述，車規級芯片采用的先進半導體工藝、優化的晶體管結構、冗余設計等，在提高芯片性能和可靠性的同時，也增強了其對輻射的抵抗力。此外，車規級芯片在封裝設計上通常會考慮更好的屏蔽效果，以抵御外部環境的干擾，這在一定程度上也能減輕太空輻射對芯片的影響。因此，通過引入車規級設計，可以在不增加過多額外設計成本的情況下，有效提升芯片的抗輻照性能，滿足商業航天系統對芯片可靠性的要求。

（四）功能安全與系統可靠性

車規級設計注重功能安全，要求芯片具備完善的故障診斷和處理能力。在商業航天系統中，這種功能安全特性可以有效提高系統的可靠性。例如，當芯片檢測到由于輻射或其他原因引起的故障時，能夠及時采取措施，如切換到冗余電路、進入安全模式或向控制系統發送警告信號等，從而避免故障的進一步擴大，保障整個系統的穩定運行。車規級芯片提供的功能安全文檔也有助于航天系統工程師更好地理解和利用芯片的安全特性，進行系統級的可靠性設計和故障分析。

（五）環境適應性增強

商業航天器在軌道運行過程中會經歷大幅度的溫度變化、真空環境以及微小氣候等復雜條件。車規級設計在芯片的環境適應性方面進行了全面的優化，使其能夠在寬溫度范圍、高濕度、高振動等惡劣環境下正常工作。這些優化措施包括采用特殊的封裝材料和工藝，提高芯片的熱穩定性和機械強度；設計低功耗模式，減少芯片在高溫環境下的發熱；增強芯片的抗電磁干擾能力等。將具備這樣環境適應性的芯片應用于商業航天系統，可以降低環境因素對系統可靠性的影響，提高航天器在復雜環境下的生存能力和任務成功率。

（六）供應鏈與質量控制優勢

車規級芯片市場相對成熟，擁有完善的供應鏈體系和嚴格的質量控制標準。汽車制造商對芯片供應商的要求極高，這促使芯片制造商不斷改進生產工藝和質量管理體系，以確保芯片的高質量和高可靠性。商業航天系統采用車規級芯片可以充分利用這一成熟的供應鏈和質量控制優勢，降低芯片采購成本和質量風險。同時，車規級芯片的大規模生產和應用也意味著其在長期使用中經過了廣泛的驗證，進一步證明了其可靠性，為商業航天系統的長期穩定運行提供了有力保障。

六、抗輻照加固CANFD芯片在商業航天系統中的應用案例分析

（一）衛星通信系統

在衛星通信系統中，抗輻照加固CANFD芯片被用于星載計算機與各個通信模塊之間的數據傳輸。由于衛星在太空運行時會受到持續的宇宙射線輻射，傳統芯片容易出現單粒子效應導致的通信錯誤或中斷。采用抗輻照加固CANFD芯片后，其卓越的抗輻照性能確保了數據傳輸的可靠性，減少了因輻射引起的通信故障。

（二）太空探索設備

在深空探測任務中，如火星探測器或月球車等太空探索設備，抗輻照加固CANFD芯片被應用于設備的控制系統和科學儀器之間的數據交互。這些設備在遠離地球的環境中運行，面臨著更加復雜和惡劣的輻射環境。車規級設計的抗輻照加固CANFD芯片為設備的穩定運行提供了有力支持。以火星探測器為例，其搭載的科學儀器通過CANFD芯片與主控計算機進行高速數據傳輸，在火星表面的強輻射環境下，芯片依然能夠穩定工作，確保了科學數據的準確采集和傳輸，為火星科學研究提供了高質量的數據支持。

（三）航天器姿軌控系統

航天器的姿態和軌道控制系統對于確保航天器的正確運行和任務執行至關重要。抗輻照加固CANFD芯片在該系統中的應用，實現了對各種姿軌控傳感器和執行機構的精確控制和數據采集。在商業遙感衛星的姿態控制系統中，使用抗輻照加固CANFD芯片構建的通信網絡，能夠實時、準確地傳輸姿態傳感器的數據，并快速響應控制指令，確保衛星在軌道運行過程中的姿態穩定性和軌道精度。即使在受到太陽粒子風暴等強烈輻射事件影響時，芯片依然能夠保持可靠的工作狀態，保障了衛星的姿態控制系統的穩定運行，提高了衛星的成像質量和任務執行效率。

七、抗輻照加固CANFD芯片在商業航天系統中的應用優勢與前景

（一）提升通信可靠性

抗輻照加固CANFD芯片憑借其卓越的抗單粒子效應能力，在太空輻射環境下能夠穩定工作，降低因單粒子鎖定（SEL）、單粒子功能中斷（SEFI）等故障導致的通信中斷風險。其高抗輻照性能確保航天器通信系統在長期太空任務中可靠運行，保障指令的準確上傳與數據的可靠下傳。

（二）增強系統穩定性

芯片的低功耗特性、快速喚醒能力、寬溫度適應性以及良好的抗電磁干擾能力等特性，使其能夠在商業航天系統的復雜環境中穩定工作。這些特性有助于降低系統整體功耗、提高能源利用效率，同時減少因環境因素導致的系統故障。

（三）提高數據傳輸效率

支持高達5Mbps的數據速率以及具備較短的對稱傳播延遲時間，使得該芯片能夠實現高速、高效的數據傳輸，滿足商業航天系統對大數據量傳輸的需求。

（四）促進商業航天系統的國產化進程

ASM1042芯片的研制與應用，打破了國外在抗輻照加固通信芯片領域的技術壟斷，實現了芯片設計、生產、封裝、測試等全流程國產化。這提高了我國商業航天系統的自主可控能力，降低了對國外芯片的依賴。

（五）拓展商業航天應用場景

憑借其優越的性能與可靠性，抗輻照加固CANFD芯片可廣泛應用于商業航天領域的多種場景，包括衛星通信、太空探索設備、航天器姿軌控系統等。其靈活性與通用性使其能夠適應不同的系統架構與技術需求。

八、結論

抗輻照加固CANFD芯片在抗輻照性能、功能特性及可靠性方面表現出色，能夠顯著提升商業航天系統的通信可靠性，推動商業航天電子設備國產化進程。車規級設計在其中發揮了關鍵作用，通過引入汽車電子領域的嚴苛可靠性標準和設計規范，為商業航天芯片設計提供了新的思路和方法。未來，隨著技術的不斷進步與創新，抗輻照加固CANFD芯片有望在性能與功能上實現進一步突破，為商業航天產業的發展注入新的活力與動力。

在未來的研究中，可以進一步深入探究芯片在不同太空輻射環境下的長期性能表現，以及如何通過優化芯片設計進一步提升其抗輻照能力。同時，加強芯片與其他航天電子系統的集成研究，探索其在更廣泛的商業航天應用中的潛力。通過持續的技術創新與改進，抗輻照加固CANFD芯片將為商業航天事業的發展提供更加堅實的技術支持，助力我國在太空探索與利用領域取得更多成就。

審核編輯 黃宇