低轨卫星光模块控制中的MCU芯片抗辐照性能研究
摘要
低轨卫星星座技术的快速发展对电子器件的可靠性和抗辐照性能提出了严峻挑战。针对低轨卫星光模块控制中的核心器件——MCU芯片，本文以国科安芯推出的基于32位RISC-V架构的AS32S601 ZIT2型MCU为例，系统性地研究了其在抗辐照环境中的性能表现。通过对质子单粒子效应试验、总剂量效应试验以及单粒子效应脉冲激光试验的综合评估，分析了该芯片在复杂辐照环境下的可靠性与适用性。
1. 引言
低轨卫星星座系统因其在通信、导航、遥感等领域的广泛应用而备受关注。然而，低轨卫星运行环境复杂，其光模块控制系统需承受高能粒子辐射的影响，这对核心MCU芯片的抗辐照能力提出了极高要求。MCU作为光模块控制的核心器件，其可靠性直接影响卫星系统的稳定性与寿命。因此，研究MCU芯片的抗辐照性能对提升低轨卫星系统的可靠性具有重要意义。
近年来，随着商业航天的兴起，对高性价比、高可靠性的MCU芯片需求日益增长。AS32S601 ZIT2型MCU作为一款专为商业航天级应用设计的高性能芯片，采用先进抗辐照加固技术，具备高安全、低失效、多IO、低成本等特点。本文旨在通过系统的辐照试验与性能评估，探讨该芯片在低轨卫星光模块控制中的应用潜力。
2. AS32S601 ZIT2型MCU芯片技术特性
2.1 芯片概述
AS32S601 ZIT2型MCU由国科安芯开发的一款基于32位RISC-V指令集的高性能MCU。该芯片工作频率高达180MHz，支持2.7V~5.5V宽电压输入，并具备多样的功能模块，包括512KiB内部SRAM（带ECC）、512KiB D-Flash（带ECC）、2MiB P-Flash（带ECC）、3个12位ADC（支持48通道模拟输入）、2个模拟比较器（ACMP）、2个8位DAC以及丰富的通信接口（SPI、CAN、USART、IIC等）。其设计符合AEC-Q100 Grade 1认证标准，适用于商业航天、工业控制等高可靠性需求场景。
2.2 抗辐照设计与可靠性
AS32S601 ZIT2型MCU采用先进抗辐照加固技术，具备以下关键特性：
ECC校验：内部SRAM和Flash均集成ECC校验功能，可有效提升数据存储的可靠性。
多级电源管理模式：支持RUN、SRUN、SLEEP、DEEP SLEEP四种模式，降低功耗的同时提升抗辐照能力。
硬件加密模块：集成AES、SM2/3/4和TRNG功能，保障数据传输的安全性。
高能粒子防护设计：通过优化电路布局和工艺设计，提升芯片对高能粒子的抗干扰能力。
2.3 应用场景分析
低轨卫星光模块控制对MCU芯片提出了多方面的要求：
高可靠性：光模块控制涉及数据传输、信号处理等关键任务，要求MCU具备高可靠性。
抗辐照能力：低轨卫星运行环境中存在高能粒子辐射，可能导致芯片功能异常或失效。
低功耗：卫星能源有限，MCU需具备低功耗特性以延长卫星寿命。
多接口支持：光模块控制需要与多种设备进行通信，MCU需具备丰富的接口资源。
AS32S601 ZIT2型MCU凭借其高性能、低功耗和抗辐照设计，能够满足上述需求，适用于低轨卫星光模块控制等高安全需求场景。
3. 抗辐照性能试验与分析
3.1 质子单粒子效应试验
质子单粒子效应试验是评估芯片抗辐照能力的重要手段之一。本试验采用100MeV质子加速器对AS32S601 ZIT2型MCU芯片进行辐照，旨在评估其在单粒子效应环境下的性能表现。
3.1.1 试验方法与条件
试验在中国原子能科学研究院的100MeV质子回旋加速器上进行，辐照面积为20cm×20cm，质子能量范围为10-100MeV，注量率为5E5-5E9 P·cm⁻²·s⁻¹。试验环境温度为15℃~35℃，相对湿度为20%~80%，满足GB18871-2002标准要求。试验样品在辐照前需完成常温功能测试，确保其初始性能正常。
3.1.2 试验结果
试验结果显示，在100MeV质子能量、1e7注量率和1e10总注量条件下，AS32S601 ZIT2型MCU功能正常，未出现单粒子效应。试验后，芯片的电参数和功能均保持稳定，工作电流为135mA，CAN接口正常通信，FLASH/RAM功能正常。结果表明，该芯片具备优异的抗质子单粒子效应能力。
3.2 总剂量效应试验
总剂量效应试验用于评估芯片在长期积累辐照环境下的耐受能力。本试验采用钴60γ射线源对AS32S601 ZIT2型MCU芯片进行辐照，辐照剂量率为25rad(Si)/s，总剂量分别为100krad(Si)和150krad(Si)，以评估芯片的抗总剂量性能。
3.2.1 试验方法与条件
试验在北京大学技术物理系钴源平台上进行，辐照剂量测试采用电离室和热释光剂量计，测量不确定度小于5%。试验环境温度为24℃±6℃，满足QJ10004A-2018标准要求。试验样品在辐照前后进行常温功能测试，测试项目包括工作电流、CAN通信性能、FLASH/RAM擦写功能等。
3.2.2 试验结果
试验结果显示，在100krad(Si)和150krad(Si)总剂量条件下，AS32S601 ZIT2型MCU功能正常，工作电流为132mA，CAN接口通信正常，FLASH/RAM功能正常。试验后，芯片经过室温退火和高温退火处理，性能和外观均合格。结果表明，该芯片的抗总剂量辐照能力大于150krad(Si)，满足商业航天级应用需求。
3.3 单粒子效应脉冲激光试验
单粒子效应脉冲激光试验是另一种评估芯片抗辐照性能的有效方法。本试验采用皮秒脉冲激光器，模拟高能粒子对芯片的辐照效应，通过激光能量与重离子LET值的对应关系，评估芯片的抗单粒子效应能力。
3.3.1 试验方法与条件
试验在北京中科芯的脉冲激光实验室进行，采用皮秒脉冲激光器，激光能量范围为120pJ至1830pJ，对应LET值为5±1.25 MeV·cm²·mg⁻¹至75±18.75 MeV·cm²·mg⁻¹。试验环境温度为24℃，湿度为42%RH，满足GB/T43967-2024标准要求。试验样品通过三维移动台进行扫描，激光光斑覆盖芯片表面，实时监测芯片工作电流变化。
3.3.2 试验结果
试验结果显示，在激光能量为120pJ（对应LET值为5±1.25 MeV·cm²·mg⁻¹）至1585pJ（对应LET值为75±16.25 MeV·cm²·mg⁻¹）条件下，AS32S601型MCU发生单粒子翻转（SEU）现象，但未出现单粒子锁定（SEL）效应。试验后，芯片功能恢复正常，工作电流为100mA，CAN接口通信正常，FLASH/RAM功能正常。结果表明，该芯片在单粒子效应环境下的可靠性较高。
4. 数据分析与讨论
4.1 抗辐照性能综合评估
通过对质子单粒子效应试验、总剂量效应试验和单粒子效应脉冲激光试验结果的综合分析，AS32S601 ZIT2型MCU在以下方面表现出优异的抗辐照性能：
单粒子效应：在100MeV质子辐照环境下，芯片功能正常，未出现单粒子效应。
总剂量效应：芯片抗总剂量辐照能力大于150krad(Si)，退火后性能和外观均合格。
单粒子翻转效应：在LET值为75±16.25 MeV·cm²·mg⁻¹条件下，芯片发生单粒子翻转现象，但未出现单粒子锁定效应，且功能可恢复。
4.2 应用场景分析
4.2.1 低轨卫星光模块控制需求
低轨卫星光模块控制系统需要具备以下关键特性：
高可靠性：光模块负责卫星间数据传输，MCU需具备高可靠性以确保数据传输的稳定性。
抗辐照能力：低轨卫星运行环境中存在高能粒子辐射，可能导致芯片功能异常或失效。
低功耗：卫星能源有限，MCU需具备低功耗特性以延长卫星寿命。
多接口支持：光模块控制需要与多种设备进行通信，MCU需具备丰富的接口资源。
AS32S601 ZIT2型MCU凭借其高性能、低功耗和抗辐照设计，能够满足上述需求，适用于低轨卫星光模块控制等高安全需求场景。
4.2.2 芯片在其他高可靠需求场景的潜力
除低轨卫星光模块控制外，AS32S601 ZIT2型MCU还可应用于以下高可靠需求场景：
工业自动化：在工业自动化控制系统中，MCU需具备高抗干扰能力和低功耗特性，以适应复杂的工作环境。
核电站监控：核电站监控系统对芯片的抗辐照能力和可靠性要求极高，AS32S601 ZIT2型MCU的抗总剂量辐照能力使其在该领域具有应用潜力。
5. 结论与展望
5.1 研究结论
AS32S601 ZIT2型MCU是一款专为商业航天级应用设计的高性能MCU芯片。通过对质子单粒子效应试验、总剂量效应试验和单粒子效应脉冲激光试验的综合评估，该芯片展现出优异的抗辐照性能和高可靠性，能够满足低轨卫星光模块控制的需求。具体结论如下：
在质子单粒子效应试验中，芯片功能正常，未出现单粒子效应。
在总剂量效应试验中，芯片抗总剂量辐照能力大于150krad(Si)，退火后性能和外观均合格。
在单粒子效应脉冲激光试验中，芯片发生单粒子翻转现象，但未出现单粒子锁定效应，且功能可恢复。
5.2 未来展望
随着低轨卫星星座技术的进一步发展，对高性能、抗辐照MCU芯片的需求将持续增长。未来，AS32S601 ZIT2型MCU有望在更多航天应用场景中发挥重要作用。同时，随着RISC-V架构的不断发展与优化，基于该架构的MCU芯片将在抗辐照性能和功能多样性方面取得更大突破，为低轨卫星光模块控制及其他高可靠需求场景提供更优质的解决方案。