摘要

商業(yè)航天領(lǐng)域的發(fā)展對電子系統(tǒng)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(guī)級設(shè)計，增強(qiáng)商業(yè)航天系統(tǒng)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(yīng)脈沖激光試驗報告、數(shù)據(jù)手冊及芯片測試報告的分析，闡述車規(guī)級設(shè)計在提升芯片抗輻照性能、功能安全性和環(huán)境適應(yīng)性等方面的關(guān)鍵作用，為商業(yè)航天電子設(shè)備的國產(chǎn)化和高性能發(fā)展提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：抗輻照加固；CANFD芯片；車規(guī)級設(shè)計；商業(yè)航天；可靠性；單粒子效應(yīng)

一、引言

商業(yè)航天的蓬勃發(fā)展推動了對高性能、高可靠電子系統(tǒng)的需求。然而，太空輻射環(huán)境中的單粒子效應(yīng)等輻射誘導(dǎo)故障對電子器件的可靠性構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。CANFD芯片作為一種高性能通信芯片，在汽車電子領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用，其在商業(yè)航天中的應(yīng)用潛力巨大。車規(guī)級設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)因其嚴(yán)苛的可靠性要求，為提升商業(yè)航天系統(tǒng)可靠性提供了新的思路。

二、車規(guī)級設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)概述

車規(guī)級設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，如ISO26262功能安全設(shè)計要求，AEC-Q100明確汽車電子領(lǐng)域在嚴(yán)苛環(huán)境下芯片可靠工作的規(guī)范。AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了一系列測試和驗證流程，包括高溫、低溫、溫度循環(huán)、濕度、振動等環(huán)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(nèi)穩(wěn)定工作。這些標(biāo)準(zhǔn)不僅適用于汽車電子產(chǎn)品，也為商業(yè)航天等高可靠性需求領(lǐng)域提供了寶貴的借鑒。

三、CANFD芯片的單粒子效應(yīng)實(shí)驗分析

（一）試驗?zāi)康呐c方法

單粒子效應(yīng)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(huán)境下的抗單粒子效應(yīng)能力。試驗采用皮秒脈沖激光單粒子效應(yīng)試驗裝置，運(yùn)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(jìn)行輻照，通過觀察芯片在不同能量級別下的工作狀態(tài)變化，判定其是否發(fā)生單粒子效應(yīng)現(xiàn)象。試驗嚴(yán)格控制環(huán)境條件，并采用先進(jìn)的試驗裝置確保激光精確輻照到芯片表面，同時實(shí)時監(jiān)測芯片的電學(xué)性能變化。

（二）試驗結(jié)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(jìn)行全芯片掃描，未出現(xiàn)單粒子效應(yīng)。隨著能量提升至610pJ（對應(yīng)LET值為（25±6.25）MeV·cm2/mg），芯片發(fā)生單粒子功能中斷（SEFI）現(xiàn)象，繼續(xù)提高能量至920pJ時出現(xiàn)單粒子鎖定（SEL）現(xiàn)象。這說明該芯片在較低能量級別下就可能出現(xiàn)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(yīng)LET值為（100±25）MeV·cm2/mg），未出現(xiàn)單粒子效應(yīng)。這一結(jié)果凸顯了ASM1042S型芯片在抗輻照性能上的顯著優(yōu)勢，能夠在較寬范圍的輻射能量下保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

（三）車規(guī)級設(shè)計在抗輻照性能提升中的作用

車規(guī)級設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)通過要求芯片在設(shè)計和制造過程中考慮多種環(huán)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(guī)級芯片通常會采用更先進(jìn)的半導(dǎo)體工藝，優(yōu)化晶體管結(jié)構(gòu)，減少敏感體積，從而降低單粒子效應(yīng)引發(fā)故障的概率。同時，車規(guī)級設(shè)計強(qiáng)調(diào)對芯片內(nèi)部電路的冗余設(shè)計和錯誤檢測與糾正機(jī)制，這些措施在面對輻射誘導(dǎo)的瞬時故障時，能夠有效檢測并糾正錯誤，提高系統(tǒng)的魯棒性。此外，車規(guī)級芯片在封裝設(shè)計上也更注重屏蔽效果，進(jìn)一步增強(qiáng)芯片對輻射的抵御能力。

四、抗輻照加固CANFD芯片ASM1042的參數(shù)解析

（一）芯片基本信息與特點(diǎn)

抗輻照加固CANFD芯片ASM1042具備以下特點(diǎn)：

認(rèn)證與標(biāo)準(zhǔn)：通過AEC-Q100Grade1認(rèn)證，符合ISO11898-2:2016和ISO11898-5:2007物理層標(biāo)準(zhǔn)。

功能安全與數(shù)據(jù)速率：支持5Mbps的數(shù)據(jù)速率，較短的對稱傳播延遲時間和快速循環(huán)次數(shù)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(tài)（無負(fù)載），在總線和RXD輸出上實(shí)現(xiàn)上電/斷電無干擾運(yùn)行。

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

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

（二）車規(guī)級設(shè)計對芯片可靠性的貢獻(xiàn)

車規(guī)級設(shè)計在芯片的多個方面提升了其可靠性：

嚴(yán)格的測試流程：AEC-Q100等標(biāo)準(zhǔn)要求芯片經(jīng)過一系列rigorous的測試，確保其在極端溫度、濕度、振動等環(huán)境下的穩(wěn)定性。這種測試流程幫助識別潛在的制造缺陷和設(shè)計弱點(diǎn)，從而提高芯片的整體質(zhì)量。

高冗余設(shè)計：車規(guī)級芯片通常會設(shè)計更多的冗余電路，以應(yīng)對可能發(fā)生的故障。在商業(yè)航天應(yīng)用中，這種冗余設(shè)計可以提供額外的保障，當(dāng)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(jìn)的半導(dǎo)體工藝：為了滿足汽車電子對性能和可靠性的要求，車規(guī)級芯片往往采用更先進(jìn)的半導(dǎo)體制造工藝。這些工藝在提高芯片性能的同時，也增強(qiáng)了其對輻射的抵抗力，因為更小的晶體管尺寸和更優(yōu)化的結(jié)構(gòu)可以減少輻射引起的電荷收集和電流脈沖。

五、車規(guī)級設(shè)計如何提升商業(yè)航天系統(tǒng)可靠性

（一）可靠性要求的相似性

商業(yè)航天系統(tǒng)和汽車電子系統(tǒng)都面臨著復(fù)雜的工作環(huán)境和高可靠性要求。汽車電子需要應(yīng)對高溫、低溫、振動、電磁干擾等嚴(yán)苛條件，而商業(yè)航天器則需要在太空輻射、真空、極端溫度等環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行。車規(guī)級設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)正是為了滿足這些嚴(yán)苛條件而制定的，其對可靠性的要求與商業(yè)航天系統(tǒng)的需求高度契合。因此，將車規(guī)級設(shè)計應(yīng)用于商業(yè)航天芯片設(shè)計中，能夠在很大程度上滿足航天系統(tǒng)對可靠性的要求。

（二）設(shè)計與制造流程的借鑒

車規(guī)級設(shè)計強(qiáng)調(diào)從芯片設(shè)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(shè)計理念要求設(shè)計師在芯片架構(gòu)設(shè)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(huán)境影響。例如，在設(shè)計階段采用冗余設(shè)計、錯誤檢測與糾正機(jī)制等手段提高系統(tǒng)的容錯能力；在制造過程中嚴(yán)格控制工藝參數(shù)，確保芯片的一致性和穩(wěn)定性；在測試階段進(jìn)行全方位的性能和可靠性測試，及時發(fā)現(xiàn)和解決潛在問題。這些嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計與制造流程為商業(yè)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(xié)同提升

雖然車規(guī)級設(shè)計并非專門針對太空輻射環(huán)境，但其在提升芯片整體可靠性方面的措施與抗輻照設(shè)計存在協(xié)同效應(yīng)。如前面所述，車規(guī)級芯片采用的先進(jìn)半導(dǎo)體工藝、優(yōu)化的晶體管結(jié)構(gòu)、冗余設(shè)計等，在提高芯片性能和可靠性的同時，也增強(qiáng)了其對輻射的抵抗力。此外，車規(guī)級芯片在封裝設(shè)計上通常會考慮更好的屏蔽效果，以抵御外部環(huán)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(guī)級設(shè)計，可以在不增加過多額外設(shè)計成本的情況下，有效提升芯片的抗輻照性能，滿足商業(yè)航天系統(tǒng)對芯片可靠性的要求。

（四）功能安全與系統(tǒng)可靠性

車規(guī)級設(shè)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(yè)航天系統(tǒng)中，這種功能安全特性可以有效提高系統(tǒng)的可靠性。例如，當(dāng)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(jìn)入安全模式或向控制系統(tǒng)發(fā)送警告信號等，從而避免故障的進(jìn)一步擴(kuò)大，保障整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。車規(guī)級芯片提供的功能安全文檔也有助于航天系統(tǒng)工程師更好地理解和利用芯片的安全特性，進(jìn)行系統(tǒng)級的可靠性設(shè)計和故障分析。

（五）環(huán)境適應(yīng)性增強(qiáng)

商業(yè)航天器在軌道運(yùn)行過程中會經(jīng)歷大幅度的溫度變化、真空環(huán)境以及微小氣候等復(fù)雜條件。車規(guī)級設(shè)計在芯片的環(huán)境適應(yīng)性方面進(jìn)行了全面的優(yōu)化，使其能夠在寬溫度范圍、高濕度、高振動等惡劣環(huán)境下正常工作。這些優(yōu)化措施包括采用特殊的封裝材料和工藝，提高芯片的熱穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度；設(shè)計低功耗模式，減少芯片在高溫環(huán)境下的發(fā)熱；增強(qiáng)芯片的抗電磁干擾能力等。將具備這樣環(huán)境適應(yīng)性的芯片應(yīng)用于商業(yè)航天系統(tǒng)，可以降低環(huán)境因素對系統(tǒng)可靠性的影響，提高航天器在復(fù)雜環(huán)境下的生存能力和任務(wù)成功率。

（六）供應(yīng)鏈與質(zhì)量控制優(yōu)勢

車規(guī)級芯片市場相對成熟，擁有完善的供應(yīng)鏈體系和嚴(yán)格的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)。汽車制造商對芯片供應(yīng)商的要求極高，這促使芯片制造商不斷改進(jìn)生產(chǎn)工藝和質(zhì)量管理體系，以確保芯片的高質(zhì)量和高可靠性。商業(yè)航天系統(tǒng)采用車規(guī)級芯片可以充分利用這一成熟的供應(yīng)鏈和質(zhì)量控制優(yōu)勢，降低芯片采購成本和質(zhì)量風(fēng)險。同時，車規(guī)級芯片的大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用也意味著其在長期使用中經(jīng)過了廣泛的驗證，進(jìn)一步證明了其可靠性，為商業(yè)航天系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力保障。

六、抗輻照加固CANFD芯片在商業(yè)航天系統(tǒng)中的應(yīng)用案例分析

（一）衛(wèi)星通信系統(tǒng)

在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，抗輻照加固CANFD芯片被用于星載計算機(jī)與各個通信模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸。由于衛(wèi)星在太空運(yùn)行時會受到持續(xù)的宇宙射線輻射，傳統(tǒng)芯片容易出現(xiàn)單粒子效應(yīng)導(dǎo)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(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，減少了因輻射引起的通信故障。

（二）太空探索設(shè)備

在深空探測任務(wù)中，如火星探測器或月球車等太空探索設(shè)備，抗輻照加固CANFD芯片被應(yīng)用于設(shè)備的控制系統(tǒng)和科學(xué)儀器之間的數(shù)據(jù)交互。這些設(shè)備在遠(yuǎn)離地球的環(huán)境中運(yùn)行，面臨著更加復(fù)雜和惡劣的輻射環(huán)境。車規(guī)級設(shè)計的抗輻照加固CANFD芯片為設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力支持。以火星探測器為例，其搭載的科學(xué)儀器通過CANFD芯片與主控計算機(jī)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸，在火星表面的強(qiáng)輻射環(huán)境下，芯片依然能夠穩(wěn)定工作，確保了科學(xué)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確采集和傳輸，為火星科學(xué)研究提供了高質(zhì)量的數(shù)據(jù)支持。

（三）航天器姿軌控系統(tǒng)

航天器的姿態(tài)和軌道控制系統(tǒng)對于確保航天器的正確運(yùn)行和任務(wù)執(zhí)行至關(guān)重要。抗輻照加固CANFD芯片在該系統(tǒng)中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對各種姿軌控傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的精確控制和數(shù)據(jù)采集。在商業(yè)遙感衛(wèi)星的姿態(tài)控制系統(tǒng)中，使用抗輻照加固CANFD芯片構(gòu)建的通信網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崟r、準(zhǔn)確地傳輸姿態(tài)傳感器的數(shù)據(jù)，并快速響應(yīng)控制指令，確保衛(wèi)星在軌道運(yùn)行過程中的姿態(tài)穩(wěn)定性和軌道精度。即使在受到太陽粒子風(fēng)暴等強(qiáng)烈輻射事件影響時，芯片依然能夠保持可靠的工作狀態(tài)，保障了衛(wèi)星的姿態(tài)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，提高了衛(wèi)星的成像質(zhì)量和任務(wù)執(zhí)行效率。

七、抗輻照加固CANFD芯片在商業(yè)航天系統(tǒng)中的應(yīng)用優(yōu)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(yīng)能力，在太空輻射環(huán)境下能夠穩(wěn)定工作，降低因單粒子鎖定（SEL）、單粒子功能中斷（SEFI）等故障導(dǎo)致的通信中斷風(fēng)險。其高抗輻照性能確保航天器通信系統(tǒng)在長期太空任務(wù)中可靠運(yùn)行，保障指令的準(zhǔn)確上傳與數(shù)據(jù)的可靠下傳。

（二）增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性

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

（三）提高數(shù)據(jù)傳輸效率

支持高達(dá)5Mbps的數(shù)據(jù)速率以及具備較短的對稱傳播延遲時間，使得該芯片能夠?qū)崿F(xiàn)高速、高效的數(shù)據(jù)傳輸，滿足商業(yè)航天系統(tǒng)對大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)男枨蟆?/p>

（四）促進(jìn)商業(yè)航天系統(tǒng)的國產(chǎn)化進(jìn)程

ASM1042芯片的研制與應(yīng)用，打破了國外在抗輻照加固通信芯片領(lǐng)域的技術(shù)壟斷，實(shí)現(xiàn)了芯片設(shè)計、生產(chǎn)、封裝、測試等全流程國產(chǎn)化。這提高了我國商業(yè)航天系統(tǒng)的自主可控能力，降低了對國外芯片的依賴。

（五）拓展商業(yè)航天應(yīng)用場景

憑借其優(yōu)越的性能與可靠性，抗輻照加固CANFD芯片可廣泛應(yīng)用于商業(yè)航天領(lǐng)域的多種場景，包括衛(wèi)星通信、太空探索設(shè)備、航天器姿軌控系統(tǒng)等。其靈活性與通用性使其能夠適應(yīng)不同的系統(tǒng)架構(gòu)與技術(shù)需求。

八、結(jié)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(xiàn)出色，能夠顯著提升商業(yè)航天系統(tǒng)的通信可靠性，推動商業(yè)航天電子設(shè)備國產(chǎn)化進(jìn)程。車規(guī)級設(shè)計在其中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，通過引入汽車電子領(lǐng)域的嚴(yán)苛可靠性標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計規(guī)范，為商業(yè)航天芯片設(shè)計提供了新的思路和方法。未來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步與創(chuàng)新，抗輻照加固CANFD芯片有望在性能與功能上實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步突破，為商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)的發(fā)展注入新的活力與動力。

在未來的研究中，可以進(jìn)一步深入探究芯片在不同太空輻射環(huán)境下的長期性能表現(xiàn)，以及如何通過優(yōu)化芯片設(shè)計進(jìn)一步提升其抗輻照能力。同時，加強(qiáng)芯片與其他航天電子系統(tǒng)的集成研究，探索其在更廣泛的商業(yè)航天應(yīng)用中的潛力。通過持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新與改進(jìn)，抗輻照加固CANFD芯片將為商業(yè)航天事業(yè)的發(fā)展提供更加堅實(shí)的技術(shù)支持，助力我國在太空探索與利用領(lǐng)域取得更多成就。

審核編輯 黃宇