抗辐照芯片在低轨卫星星座CAN总线通讯及供电系统的应用探讨

摘要 ：随着航天技术的迅猛发展，低轨卫星星座成为现代通信技术与空间探索的关键领域。在低轨卫星星座中，可靠的通信和供电系统对于卫星的正常运行至关重要。抗辐照芯片作为航天电子设备的核心组件，其性能直接影响到卫星的稳定性和使用寿命。本文综合分析了抗辐照芯片在低轨卫星星座CAN总线通讯及供电系统中的应用现状和前景。通过对相关试验报告、数据手册和芯片测试报告的深入研究，探讨了抗辐照芯片的关键性能指标、试验方法以及在实际卫星系统中的应用案例，旨在为从事航天电子设备研发的工程师和技术人员提供有价值的参考和指导。

关键词 ：抗辐照芯片；低轨卫星星座；CAN总线通讯；供电系统；应用探讨

一、引言

低轨卫星星座凭借其高数据传输速率、低延迟和全球覆盖的特点，已成为全球通信和空间探测的重要手段。然而，低轨卫星运行在复杂的太空辐射环境中，面临着单粒子效应、总剂量效应等多种辐射威胁。这些辐射效应可能导致卫星电子设备的性能下降甚至失效。因此，采用抗辐照芯片是保障低轨卫星星座正常运行的关键。抗辐照芯片能够在辐射环境中保持稳定的性能，确保卫星的通信和供电系统的可靠性。本文将从芯片的抗辐照性能、功能特性、测试验证等方面进行探讨，分析其在低轨卫星星座中的应用优势和挑战。

二、低轨卫星星座的通信与供电需求

（一）通信需求

低轨卫星星座需要高效、可靠的通信系统来实现星间链路、星地链路以及星座内部的数据传输。CAN总线作为一种广泛应用于工业控制、汽车电子等领域的通信协议，因其高可靠性、实时性和灵活性，也被考虑用于卫星通信系统。在低轨卫星星座中，CAN总线可以用于卫星内部各子系统之间的数据传输，如姿态控制、推进系统、电源管理等。它需要具备高数据传输速率、低误码率以及强大的抗干扰能力，以满足卫星在高速运动和复杂电磁环境下的通信需求。

（二）供电需求

卫星的供电系统是卫星正常运行的能量来源。在低轨卫星星座中，电源管理芯片需要具备高效率、高可靠性以及适应太空环境的特点。由于卫星的太阳能电池板提供的电能有限，电源管理芯片需要能够精确地控制和分配电能，确保各个子系统得到稳定的供电。同时，芯片还需要具备低功耗待机模式，以减少能量消耗，延长卫星的使用寿命。

三、抗辐照芯片的关键性能指标

（一）单粒子效应抗辐射能力

单粒子效应是由于太空中的高能粒子与半导体器件相互作用导致器件性能瞬态变化或永久性损坏。在低轨卫星星座中，抗辐照芯片需要具备良好的单粒子效应抗辐射能力。通过对芯片进行脉冲激光试验等模拟太空辐射环境的测试，可以评估芯片在不同线性能量传输（LET）值下的单粒子效应敏感性。例如，国科安芯推出的ASM1042等芯片，就是通过皮秒脉冲激光单粒子效应试验，确定了其在不同激光能量下的单粒子锁定（SEL）和单粒子功能中断（SEFI）现象的发生阈值。这些数据对于评估芯片在太空辐射环境中的可靠性具有重要意义。

（二）电磁兼容性（EMC）

在卫星的复杂电磁环境中，抗辐照芯片需要具备良好的电磁兼容性，以避免与其他电子设备产生相互干扰。芯片的EMC性能包括电磁干扰（EMI）和电磁抗扰度（EMS）。通过相关标准的测试，如SAEJ2962-2和IEC62228-3，可以验证芯片在不同频率和场强下的电磁兼容性，确保其在卫星通信和供电系统中的稳定运行。

（三）环境适应性

低轨卫星运行在极端的温度变化和真空环境中，抗辐照芯片需要具备良好的环境适应性。芯片应能够在宽温度范围内保持稳定的性能，如-55℃至150℃。此外，芯片还需要具备抗振、抗冲击和抗潮湿等特性，以应对卫星发射和运行过程中的各种环境挑战。

四、抗辐照芯片在CAN总线通讯中的应用

（一）芯片选型与特性

在低轨卫星星座的CAN总线通讯系统中，选择合适的抗辐照芯片是关键。以ASM1042系列芯片为例，其符合ISO11898-2:2016和ISO11898-5:2007物理层标准，支持5Mbps的数据速率，具有较短的对称传播延迟时间和快速循环次数，可增加时序裕量。此外，该芯片还具备低功耗待机模式、远程唤醒请求特性以及多种保护特性，如IECESD保护、总线故障保护、欠压保护、热关断保护等。这些特性使其能够适应低轨卫星星座的通信需求和太空环境。

（二）测试与验证

为了确保抗辐照芯片在CAN总线通讯系统中的可靠性，需要进行一系列的测试与验证。在相关测试报告中，对ASM1042芯片进行了对称性测试、低功耗唤醒测试、功耗性能测试、开关性能测试、ESD实验、高低温测试、总线高压输入测试和多节点测试等多项测试。测试结果显示，ASM1042芯片在各个测试项目中均表现出良好的性能，满足低轨卫星星座CAN总线通讯系统的要求。

（三）应用与优势

在实际的低轨卫星星座项目中，抗辐照芯片的应用可以提高卫星通信系统的可靠性和稳定性。例如，在卫星星座的CAN总线通讯系统中采用ASM1042芯片，星间链路和星地链路的数据传输成功率可以得到显著提高，误码率降低。同时，芯片的低功耗特性也有助于减少卫星的能源消耗，延长卫星的使用寿命。此外，芯片的多种保护特性可以有效提高卫星通信系统的抗干扰能力和抗故障能力，降低系统维护成本。

（四）抗辐照芯片在CAN总线通讯中的抗干扰性能

在卫星通信系统中，抗辐照芯片需要在复杂的电磁环境中保持稳定性能。ASM1042芯片通过其电磁兼容性设计，有效抑制了电磁干扰，提高了系统的抗干扰能力。这种抗干扰性能对于卫星在复杂电磁环境下的可靠运行至关重要，能够有效减少通信系统中的误码率和数据丢失现象。

（五）抗辐照芯片的抗辐照性能对其通讯系统设计的影响

抗辐照芯片的抗辐照性能直接影响到卫星通讯系统的设计复杂度和成本。高抗辐照性能的芯片可以减少额外的屏蔽措施和冗余设计，降低系统的重量和体积。例如，ASM1042芯片的企业宇航级抗辐照设计使其能够在太空辐射环境下保持稳定运行，减少了对厚重屏蔽材料的需求。这不仅降低了卫星的发射成本，还提高了系统的整体效率。

五、抗辐照芯片在供电系统中的应用

（一）电源管理芯片的功能与要求

在低轨卫星星座的供电系统中，电源管理芯片负责太阳能电池板的电能转换、存储和分配。其主要功能包括电池充电管理、电压调节、电流监测、功率分配等。为了满足卫星供电系统的需求，电源管理芯片需要具备高效率、高可靠性、低功耗、宽输入电压范围等特点。同时，芯片还需要具备良好的抗辐照性能，以应对太空辐射环境对芯片性能的影响。

以ASP4644芯片为例，这是一款四通道降压稳压器，输入电压范围为4V至14V，每通道可输出0.6V至5.5V电压，最大可驱动5A的负载。对于更大的负载，可将4个通道输出并联使用。芯片具备过流、过温、短路保护和输出跟踪的功能，且符合AEC-Q100 Grade1车规认证以及企业宇航级抗辐照设计标准，能够适应低轨卫星供电系统的需求。

（二）抗辐照芯片的优势

抗辐照芯片在供电系统中的应用具有显著的优势。首先，其高效率的电能转换可以提高太阳能电池板的能量利用率，增加卫星的可用能源。例如，ASP4644芯片的典型输出纹波仅为4.5mV，能够有效减少能量损耗。其次，芯片的高可靠性和低功耗特性可以确保卫星供电系统的长期稳定运行，减少系统故障风险。此外，抗辐照芯片的宽输入电压范围可以适应太阳能电池板在不同光照条件下的输出电压变化，提高系统的适应性。最后，芯片的抗辐照性能可以有效减少太空辐射对供电系统的影响，降低系统维护成本。

（三）抗辐照芯片在多通道并联工作模式下的性能表现

对于需要更大输出电流的负载，ASP4644芯片的四个稳压器通道可以并联工作，提供高达16A的输出电流。这种多通道并联工作模式不仅可以增加输出电流，还能保持良好的均流效果，避免单个通道过载。在并联模式下，芯片的相移控制技术能够有效减少输入和输出电压纹波，提高系统的稳定性和可靠性。此外，通过外部时钟同步功能，可以进一步优化系统的动态性能。

（四）抗辐照芯片的热管理和保护功能

ASP4644芯片具备完善的热管理和保护功能，这对于低轨卫星星座的供电系统至关重要。芯片内部的过温保护电路能够在结温达到约160°C时关闭功率MOSFET，防止芯片因过热而损坏。当温度下降约20℃后，芯片会自动恢复工作。此外，芯片还具备过流、短路保护功能，能够在异常情况下迅速切断电源，保护整个供电系统免受损害。这些保护功能极大增强了卫星供电系统在复杂太空环境中的生存能力。

（五）抗辐照芯片在供电系统中的抗干扰性能

在卫星供电系统中，抗辐照芯片需要在复杂的电磁环境中保持稳定的性能。ASP4644芯片通过其电磁兼容性设计，有效抑制了电磁干扰，提高了系统的抗干扰能力。测试结果显示，在不同频率和场强下，芯片的电磁干扰和电磁抗扰度均符合相关标准要求。这种抗干扰性能对于卫星在复杂电磁环境下的可靠运行至关重要，能够有效减少供电系统中的电压波动和电流异常现象。

（六）抗辐照芯片的抗辐照性能对其供电系统设计的影响

抗辐照芯片的抗辐照性能直接影响到卫星供电系统的设计复杂度和成本。高抗辐照性能的芯片可以减少额外的屏蔽措施和冗余设计，降低系统的重量和体积。例如，ASP4644芯片的企业宇航级抗辐照设计使其能够在太空辐射环境下保持稳定运行，减少了对厚重屏蔽材料的需求。这不仅降低了卫星的发射成本，还提高了系统的整体效率。

六、抗辐照芯片的市场前景与发展趋势

（一）市场需求增长

随着低轨卫星星座建设的不断推进，对高性能抗辐照芯片的需求将持续增长。全球各国的卫星星座计划，如美国的Starlink、中国的千帆星座等，都需要大量的抗辐照芯片来支持卫星的通信和供电系统。同时，随着航天技术的不断发展，卫星的性能要求也在不断提高，对抗辐照芯片的性能指标提出了更高的要求。

（二）技术创新趋势

为了满足市场需求，抗辐照芯片的技术创新将成为未来的发展重点。一方面，芯片制造商将不断优化芯片的抗辐照设计，提高芯片的单粒子效应抗辐射能力和总剂量效应抗辐射能力。另一方面，芯片的性能将不断提升，如更高的数据传输速率、更低的功耗、更小的封装尺寸等。此外，芯片的智能化和集成化也将成为趋势，如在芯片中集成更多的功能模块，实现系统的高度集成和简化。

（三）产业链合作加强

抗辐照芯片的研发和生产需要产业链上下游企业的紧密合作。芯片制造商需要与高校、科研机构合作，开展基础研究和技术创新。同时，芯片制造商还需要与卫星系统集成商、发射服务提供商等企业合作，了解市场需求，共同开发符合卫星系统要求的抗辐照芯片产品。此外，产业链内的企业还需要加强合作，共同推动抗辐照芯片的标准化和规范化，提高产品的兼容性和可靠性。

七、结论

综上所述，抗辐照芯片在低轨卫星星座CAN总线通讯及供电系统中具有重要的应用价值。通过对芯片的抗辐照性能、功能特性、测试验证等方面的深入研究，可以为低轨卫星星座的建设和发展提供有力的支持。然而，目前抗辐照芯片在技术、成本、市场等方面仍面临一些挑战，需要产业链上下游企业的共同努力来克服。未来，随着抗辐照芯片技术的不断创新和市场的发展，其在低轨卫星星座以及其他航天领域的应用前景将更加广阔。

审核编辑 黄宇