摘要
商业航天领域的发展对电子系统的可靠性和抗辐照能力提出了更高要求。本文深入探讨了抗辐照加固CANFD芯片如何借助车规级设计，增强商业航天系统的可靠性。本文以国科安芯CANFD芯片ASM1042为例，通过对芯片单粒子效应脉冲激光试验报告、数据手册及芯片测试报告的分析，阐述车规级设计在提升芯片抗辐照性能、功能安全性和环境适应性等方面的关键作用，为商业航天电子设备的国产化和高性能发展提供了理论依据和技术支持。
关键词：抗辐照加固；CANFD芯片；车规级设计；商业航天；可靠性；单粒子效应
一、引言
商业航天的蓬勃发展推动了对高性能、高可靠电子系统的需求。然而，太空辐射环境中的单粒子效应等辐射诱导故障对电子器件的可靠性构成了严重威胁。CANFD芯片作为一种高性能通信芯片，在汽车电子领域已广泛应用，其在商业航天中的应用潜力巨大。车规级设计标准因其严苛的可靠性要求，为提升商业航天系统可靠性提供了新的思路。
二、车规级设计标准概述
车规级设计标准，如ISO26262功能安全设计要求，AEC-Q100明确汽车电子领域在严苛环境下芯片可靠工作的规范。AEC-Q100标准涵盖了一系列测试和验证流程，包括高温、低温、温度循环、湿度、振动等环境测试，以及电气性能、可靠性、抗干扰能力等方面的评估，旨在确保器件在整个使用寿命内稳定工作。这些标准不仅适用于汽车电子产品，也为商业航天等高可靠性需求领域提供了宝贵的借鉴。
三、CANFD芯片的单粒子效应实验分析
（一）试验目的与方法
单粒子效应脉冲激光试验旨在评估抗辐照加固CANFD芯片在模拟太空辐射环境下的抗单粒子效应能力。试验采用皮秒脉冲激光单粒子效应试验装置，运用激光正面辐照试验方法，选取不同LET值的等效激光能量对芯片进行辐照，通过观察芯片在不同能量级别下的工作状态变化，判定其是否发生单粒子效应现象。试验严格控制环境条件，并采用先进的试验装置确保激光精确辐照到芯片表面，同时实时监测芯片的电学性能变化。
（二）试验结果与分析
TCAN1042HGVD型芯片：同样在5V工作条件下，初始激光能量为120pJ时进行全芯片扫描，未出现单粒子效应。随着能量提升至610pJ（对应LET值为（25±6.25）MeV·cm²/mg），芯片发生单粒子功能中断（SEFI）现象，继续提高能量至920pJ时出现单粒子锁定（SEL）现象。这说明该芯片在较低能量级别下就可能出现SEFI故障。
ASM1042S型芯片：在5V工作条件下，从激光能量120pJ开始扫描直至最高能量3050pJ（对应LET值为（100±25）MeV·cm²/mg），未出现单粒子效应。这一结果凸显了ASM1042S型芯片在抗辐照性能上的显著优势，能够在较宽范围的辐射能量下保持稳定的工作状态。
（三）车规级设计在抗辐照性能提升中的作用
车规级设计标准通过要求芯片在设计和制造过程中考虑多种环境因素和潜在故障模式，从而间接提升了芯片的抗辐照能力。例如，车规级芯片通常会采用更先进的半导体工艺，优化晶体管结构，减少敏感体积，从而降低单粒子效应引发故障的概率。同时，车规级设计强调对芯片内部电路的冗余设计和错误检测与纠正机制，这些措施在面对辐射诱导的瞬时故障时，能够有效检测并纠正错误，提高系统的鲁棒性。此外，车规级芯片在封装设计上也更注重屏蔽效果，进一步增强芯片对辐射的抵御能力。
四、抗辐照加固CANFD芯片ASM1042的参数解析
（一）芯片基本信息与特点
抗辐照加固CANFD芯片ASM1042具备以下特点：
认证与标准：通过AEC-Q100Grade1认证，符合ISO11898-2:2016和ISO11898-5:2007物理层标准。
功能安全与数据速率：支持5Mbps的数据速率，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。
电磁兼容性（EMC）：支持SAEJ2962-2和IEC62228-3（最高500kbps）无需共模扼流圈。
电源电压兼容性：I/O电压范围支持3.3V和5VMCU。
未供电时的理想无源行为：总线和逻辑引脚处于高阻态（无负载），在总线和RXD输出上实现上电/断电无干扰运行。
保护特性：包括静电放电（ESD）保护、总线故障保护、欠压保护、驱动器显性超时（TXDDTO）、热关断保护（TSD）等。
抗辐照性能：企业宇航级的抗辐照性能指标显示，单粒子翻转（SEU）≥75MeV·cm²/mg或10⁻⁵次/器件·天，单粒子锁定（SEL）≥75MeV·cm²/mg。
（二）车规级设计对芯片可靠性的贡献
车规级设计在芯片的多个方面提升了其可靠性：
严格的测试流程：AEC-Q100等标准要求芯片经过一系列rigorous的测试，确保其在极端温度、湿度、振动等环境下的稳定性。这种测试流程帮助识别潜在的制造缺陷和设计弱点，从而提高芯片的整体质量。
高冗余设计：车规级芯片通常会设计更多的冗余电路，以应对可能发生的故障。在商业航天应用中，这种冗余设计可以提供额外的保障，当部分电路受到辐射影响时，冗余电路可以接管工作，确保通信功能不受影响。
先进的半导体工艺：为了满足汽车电子对性能和可靠性的要求，车规级芯片往往采用更先进的半导体制造工艺。这些工艺在提高芯片性能的同时，也增强了其对辐射的抵抗力，因为更小的晶体管尺寸和更优化的结构可以减少辐射引起的电荷收集和电流脉冲。
五、车规级设计如何提升商业航天系统可靠性
（一）可靠性要求的相似性
商业航天系统和汽车电子系统都面临着复杂的工作环境和高可靠性要求。汽车电子需要应对高温、低温、振动、电磁干扰等严苛条件，而商业航天器则需要在太空辐射、真空、极端温度等环境下稳定运行。车规级设计标准正是为了满足这些严苛条件而制定的，其对可靠性的要求与商业航天系统的需求高度契合。因此，将车规级设计应用于商业航天芯片设计中，能够在很大程度上满足航天系统对可靠性的要求。
（二）设计与制造流程的借鉴
车规级设计强调从芯片设计阶段就开始考虑可靠性因素，并贯穿整个制造和测试流程。这种设计理念要求设计师在芯片架构设计、电路布局、工艺选择等方面都充分考虑潜在的故障模式和环境影响。例如，在设计阶段采用冗余设计、错误检测与纠正机制等手段提高系统的容错能力；在制造过程中严格控制工艺参数，确保芯片的一致性和稳定性；在测试阶段进行全方位的性能和可靠性测试，及时发现和解决潜在问题。这些严谨的设计与制造流程为商业航天芯片的可靠性提升提供了宝贵的借鉴。
（三）抗辐照性能的协同提升
虽然车规级设计并非专门针对太空辐射环境，但其在提升芯片整体可靠性方面的措施与抗辐照设计存在协同效应。如前面所述，车规级芯片采用的先进半导体工艺、优化的晶体管结构、冗余设计等，在提高芯片性能和可靠性的同时，也增强了其对辐射的抵抗力。此外，车规级芯片在封装设计上通常会考虑更好的屏蔽效果，以抵御外部环境的干扰，这在一定程度上也能减轻太空辐射对芯片的影响。因此，通过引入车规级设计，可以在不增加过多额外设计成本的情况下，有效提升芯片的抗辐照性能，满足商业航天系统对芯片可靠性的要求。
（四）功能安全与系统可靠性
车规级设计注重功能安全，要求芯片具备完善的故障诊断和处理能力。在商业航天系统中，这种功能安全特性可以有效提高系统的可靠性。例如，当芯片检测到由于辐射或其他原因引起的故障时，能够及时采取措施，如切换到冗余电路、进入安全模式或向控制系统发送警告信号等，从而避免故障的进一步扩大，保障整个系统的稳定运行。车规级芯片提供的功能安全文档也有助于航天系统工程师更好地理解和利用芯片的安全特性，进行系统级的可靠性设计和故障分析。
（五）环境适应性增强
商业航天器在轨道运行过程中会经历大幅度的温度变化、真空环境以及微小气候等复杂条件。车规级设计在芯片的环境适应性方面进行了全面的优化，使其能够在宽温度范围、高湿度、高振动等恶劣环境下正常工作。这些优化措施包括采用特殊的封装材料和工艺，提高芯片的热稳定性和机械强度；设计低功耗模式，减少芯片在高温环境下的发热；增强芯片的抗电磁干扰能力等。将具备这样环境适应性的芯片应用于商业航天系统，可以降低环境因素对系统可靠性的影响，提高航天器在复杂环境下的生存能力和任务成功率。
（六）供应链与质量控制优势
车规级芯片市场相对成熟，拥有完善的供应链体系和严格的质量控制标准。汽车制造商对芯片供应商的要求极高，这促使芯片制造商不断改进生产工艺和质量管理体系，以确保芯片的高质量和高可靠性。商业航天系统采用车规级芯片可以充分利用这一成熟的供应链和质量控制优势，降低芯片采购成本和质量风险。同时，车规级芯片的大规模生产和应用也意味着其在长期使用中经过了广泛的验证，进一步证明了其可靠性，为商业航天系统的长期稳定运行提供了有力保障。
六、抗辐照加固CANFD芯片在商业航天系统中的应用案例分析
（一）卫星通信系统
在卫星通信系统中，抗辐照加固CANFD芯片被用于星载计算机与各个通信模块之间的数据传输。由于卫星在太空运行时会受到持续的宇宙射线辐射，传统芯片容易出现单粒子效应导致的通信错误或中断。采用抗辐照加固CANFD芯片后，其卓越的抗辐照性能确保了数据传输的可靠性，减少了因辐射引起的通信故障。
（二）太空探索设备
在深空探测任务中，如火星探测器或月球车等太空探索设备，抗辐照加固CANFD芯片被应用于设备的控制系统和科学仪器之间的数据交互。这些设备在远离地球的环境中运行，面临着更加复杂和恶劣的辐射环境。车规级设计的抗辐照加固CANFD芯片为设备的稳定运行提供了有力支持。以火星探测器为例，其搭载的科学仪器通过CANFD芯片与主控计算机进行高速数据传输，在火星表面的强辐射环境下，芯片依然能够稳定工作，确保了科学数据的准确采集和传输，为火星科学研究提供了高质量的数据支持。
（三）航天器姿轨控系统
航天器的姿态和轨道控制系统对于确保航天器的正确运行和任务执行至关重要。抗辐照加固CANFD芯片在该系统中的应用，实现了对各种姿轨控传感器和执行机构的精确控制和数据采集。在商业遥感卫星的姿态控制系统中，使用抗辐照加固CANFD芯片构建的通信网络，能够实时、准确地传输姿态传感器的数据，并快速响应控制指令，确保卫星在轨道运行过程中的姿态稳定性和轨道精度。即使在受到太阳粒子风暴等强烈辐射事件影响时，芯片依然能够保持可靠的工作状态，保障了卫星的姿态控制系统的稳定运行，提高了卫星的成像质量和任务执行效率。
七、抗辐照加固CANFD芯片在商业航天系统中的应用优势与前景
（一）提升通信可靠性
抗辐照加固CANFD芯片凭借其卓越的抗单粒子效应能力，在太空辐射环境下能够稳定工作，降低因单粒子锁定（SEL）、单粒子功能中断（SEFI）等故障导致的通信中断风险。其高抗辐照性能确保航天器通信系统在长期太空任务中可靠运行，保障指令的准确上传与数据的可靠下传。
（二）增强系统稳定性
芯片的低功耗特性、快速唤醒能力、宽温度适应性以及良好的抗电磁干扰能力等特性，使其能够在商业航天系统的复杂环境中稳定工作。这些特性有助于降低系统整体功耗、提高能源利用效率，同时减少因环境因素导致的系统故障。
（三）提高数据传输效率
支持高达5Mbps的数据速率以及具备较短的对称传播延迟时间，使得该芯片能够实现高速、高效的数据传输，满足商业航天系统对大数据量传输的需求。
（四）促进商业航天系统的国产化进程
ASM1042芯片的研制与应用，打破了国外在抗辐照加固通信芯片领域的技术垄断，实现了芯片设计、生产、封装、测试等全流程国产化。这提高了我国商业航天系统的自主可控能力，降低了对国外芯片的依赖。
（五）拓展商业航天应用场景
凭借其优越的性能与可靠性，抗辐照加固CANFD芯片可广泛应用于商业航天领域的多种场景，包括卫星通信、太空探索设备、航天器姿轨控系统等。其灵活性与通用性使其能够适应不同的系统架构与技术需求。
八、结论
抗辐照加固CANFD芯片在抗辐照性能、功能特性及可靠性方面表现出色，能够显著提升商业航天系统的通信可靠性，推动商业航天电子设备国产化进程。车规级设计在其中发挥了关键作用，通过引入汽车电子领域的严苛可靠性标准和设计规范，为商业航天芯片设计提供了新的思路和方法。未来，随着技术的不断进步与创新，抗辐照加固CANFD芯片有望在性能与功能上实现进一步突破，为商业航天产业的发展注入新的活力与动力。
在未来的研究中，可以进一步深入探究芯片在不同太空辐射环境下的长期性能表现，以及如何通过优化芯片设计进一步提升其抗辐照能力。同时，加强芯片与其他航天电子系统的集成研究，探索其在更广泛的商业航天应用中的潜力。通过持续的技术创新与改进，抗辐照加固CANFD芯片将为商业航天事业的发展提供更加坚实的技术支持，助力我国在太空探索与利用领域取得更多成就。
