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抗辐照设计优化：商业航天高可靠系统设计的关键路径

news 来源：原创 2025/8/14 13:23:10

随着商业航天领域的快速发展，航天器的可靠性和抗辐照能力已成为系统设计的核心需求。在严苛的太空辐射环境中，电子设备面临着单粒子效应、总剂量效应和位移损伤效应等多重挑战。抗辐照设计优化不仅是确保航天器任务成功的关键路径，更是推动商业航天技术进步的重要驱动力。本文将从系统级失效分析、抗辐照设计优化的关键技术、芯片级加固策略、系统级冗余方案以及未来技术趋势等多个维度，深入探讨抗辐照设计优化的关键路径，并结合国产抗辐照芯片的实际应用案例，阐述其在商业航天高可靠系统设计中的重要作用。

一、商业航天发展态势与可靠性需求

商业航天项目在全球范围内不断涌现，航天器在轨运行期间面临着复杂且恶劣的空间辐射环境，这对其可靠性和性能构成了严峻考验。

空间辐射环境主要包括银河宇宙射线、太阳宇宙射线、极地辐射带粒子以及地球辐射带中的高能粒子等。这些高能粒子能够穿透航天器的防护结构，与电子器件发生相互作用，引发一系列的辐射效应，其中单粒子效应便是最具代表性和危害性的辐射效应之一。

（一）单粒子效应（SEE）

单粒子效应是指高能粒子（如质子、中子和重离子）与半导体器件相互作用，导致器件性能异常的现象。单粒子效应主要包括以下几种类型：

单粒子翻转（SEU）：高能粒子穿过存储单元时，产生瞬态电荷，导致存储单元中的数据发生翻转。SEU是存储器中最常见的单粒子效应，广泛存在于SRAM、DRAM和非易失性存储器中。

单粒子瞬态（SET）：高能粒子击中逻辑电路时，产生瞬态脉冲，导致逻辑电路的输出出现短暂的错误。SET通常会影响时钟信号、控制信号和数据总线等关键信号的完整性。

单粒子锁定（SEL）：高能粒子击中功率器件（如MOSFET）时，导致器件进入不可控的导通状态，从而引发过电流和过电压，可能损坏器件甚至整个电路。

（二）总剂量效应（TID）

总剂量效应是指器件长期暴露在电离辐射下，累积吸收的能量导致器件参数退化甚至失效的现象。TID效应主要影响器件的电学性能，如阈值电压漂移、漏电流增加和迁移率下降等。在商业航天应用中，飞行器长期暴露在宇宙辐射环境中，因此TID防护至关重要。

（三）位移损伤效应（DD）

位移损伤效应是指高能粒子轰击半导体材料，导致晶格结构发生位移，产生缺陷，从而影响器件性能。位移损伤效应主要影响器件的载流子迁移率、禁带宽度和漏电流等参数。在商业航天应用中，高能粒子辐射是位移损伤的主要来源。

二、抗辐照设计优化的关键技术

抗辐照设计优化的核心在于通过工艺优化、电路加固和容错设计等手段，提高电子设备在太空辐射环境中的可靠性和稳定性。

（一）单粒子效应（SEE）防护技术：

单粒子翻转（SEU）防护 ：在存储器设计中采用纠错码（ECC）和奇偶校验技术，能够有效检测并纠正单比特翻转错误。例如，国科安芯的AS32S601通过硬件ECC保护存储系统（内置SRAM、Flash等），并在DMA模块中提供“可选的双核锁步安全备份”机制，支持高可靠性场景下的数据传输容错。

单粒子瞬态（SET）防护 ：对逻辑电路进行加固设计，如增加瞬态脉冲抑制电路，使用抗辐照的触发器和门电路，减少 SET 对时钟信号和控制信号的影响。同时，优化电路布局和布线，降低信号线之间的耦合效应，提高电路对瞬态脉冲的抗扰度。

单粒子锁定（SEL）防护 ：针对功率器件，采用抗辐照的 MOSFET 结构，如增加栅极氧化层厚度、优化器件的掺杂浓度分布等，提高器件的抗 SEL 能力。此外，在电路设计中增加过流保护电路和钳位电路，及时限制器件工作电流，防止其进入不可控的导通状态。AS32S601通过增强型SEU（单粒子翻转）和SEL（单粒子锁定）防护设计，达到商业航天级抗辐照指标：SEU ≥75 MeV·cm²/mg，SEL ≥75 MeV·cm²/mg。

（二）总剂量效应（TID）防护技术

绝缘体上硅（SOI）：SOI工艺通过在硅衬底和有源器件之间引入绝缘层，减少了辐射引起的漏电流和阈值电压漂移。SOI器件在TID环境下具有更好的性能稳定性。

加固设计(HBD)：在器件设计阶段就考虑到辐射效应，例如通过增加栅极氧化层的厚度来提高抗TID能力。

浅槽隔离(STI)：优化STI结构，减少界面电荷的积累，从而降低TID效应。

屏蔽：使用屏蔽材料，如铝或钽，可以减少器件受到的总剂量辐射。屏蔽效果取决于材料的厚度和辐射的能量。在商业航天应用中，通常需要在器件外部增加屏蔽罩，以降低TID效应。

（三）位移损伤效应（DD）防护技术

材料选择：选择对位移损伤不敏感的材料是提高器件抗DD能力的关键。碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等宽禁带半导体材料具有更高的键能和更强的抗辐射能力，因此在商业航天领域得到了广泛应用。

退火：通过高温退火可以修复部分晶格缺陷，从而减轻位移损伤效应。退火温度和时间需要根据材料和辐射环境进行优化。在商业航天应用中，可以在器件制造过程中进行退火处理，以提高其抗DD能力。

（四）电路加固技术

三模冗余（TMR）将关键电路复制三份，并使用多数表决器对三个电路的输出进行投票，从而屏蔽单点故障。TMR是一种经典的容错技术，但会增加电路的面积和功耗。在商业航天应用中，TMR通常用于保护关键的控制电路和计算电路。

纠错码（ECC）在存储器中使用ECC可以检测和纠正单比特或多比特错误，从而提高存储器的可靠性。ECC广泛应用于航空航天和核工业等领域。例如，国科安芯的AS32A601拥有多达512KiB内部SRAM，提供16KiBICache和16KiBDCache，支持误码校正（ECC）。

电流限制：通过限制电路中的电流，可以降低单粒子效应引起的瞬态电流脉冲的幅度，从而减少电路的损伤。在商业航天应用中，可以采用电流限制器件或电路，来保护敏感的器件。

（五）容错设计技术

安全冗余设计：国科安芯的AS32S601通过硬件ECC（Error Correction Code）保护存储系统（内置SRAM、Flash等），并在DMA模块中提供“可选的双核锁步安全备份”机制，支持高可靠性场景下的数据传输容错。该设计符合ISO 26262 ASIL-B功能安全等级要求，

自检和诊断在系统中加入自检和诊断电路，可以定期检测系统的状态，并在发现故障时发出警报或采取纠正措施。自检和诊断电路可以检测诸如存储器错误、总线错误和电源故障等问题。

故障隔离将系统划分为多个独立的模块，并使用隔离电路将故障限制在单个模块内，从而防止故障扩散到整个系统。例如，ASM1042的IEC ESD保护高达±15kV。

降级运行在系统出现故障时，可以降低系统的性能或功能，以保证系统的基本功能仍然可用。例如，在卫星通信系统中，如果某个转发器发生故障，可以降低转发器的带宽，以保证其他转发器仍然可用。

三、芯片级加固策略

在商业航天高可靠系统设计中，抗辐照芯片技术作为关键支撑，具备一系列突出的核心优势。这些芯片通常采用以下加固策略，以应对太空环境中的挑战：

（一）抗辐照工艺

芯片采用特殊的半导体制造工艺，如绝缘体上硅（SOI）技术，减少单粒子效应的影响。SOI通过在晶体管下方增加绝缘层，降低了高能粒子穿透时产生的电荷收集效应，从而提高了抗单粒子锁存（SEL）能力。

（二）容错电路设计

在芯片内部采用冗余逻辑、纠错码（ECC）和三重模块冗余（TMR）等技术，增强对单粒子翻转（SEU）和单粒子瞬态（SET）的抵抗能力。

（三）辐射硬化库单元

芯片设计中使用的标准单元库经过特殊设计，增强了抗辐照性能。这些单元通常具有更大的晶体管尺寸和更强的驱动能力，以减少SET的影响。

（四）电压和温度监控

芯片内部集成了电压和温度监控电路，能够实时监测芯片的工作状态，并在电压或温度超出安全范围时采取保护措施，防止芯片损坏。

（五）失效保护机制

芯片设计了失效保护机制，例如看门狗定时器和复位电路，能够在芯片发生故障时自动复位，恢复正常工作。

四、系统级冗余方案：容错设计与可靠性提升

为了进一步提高商业航天系统的可靠性，除了芯片级的加固策略外，还需要采用系统级的冗余方案和容错设计。这些方案旨在通过硬件和软件的冗余配置，以及故障检测、隔离和恢复机制，确保系统在面对各种故障时仍能维持正常运行。

（一）硬件冗余设计

模块级冗余针对姿态控制、数据处理和电源管理等关键模块，实施N+1冗余策略。例如，姿态控制系统可以采用三余度设计（TMR），即三个AS32A601MCU并行运行，通过多数表决机制确定最终控制指令。如果一个MCU发生故障，其余两个MCU仍可保证系统正常运行。

电源冗余电源系统是确保航天器稳定运行的关键。采用多个ASM1042电源管理模块并联工作，每个模块的输出功率略低于系统总需求，以确保即使一个模块失效，其他模块仍能提供足够的电力支持。此外，增加电池备份，在主电源失效时提供紧急电力供应。

通信冗余实施CANFD总线冗余，采用双总线或环形总线结构。主总线发生故障时，自动切换到备用总线，确保通信链路的畅通。同时，采用具有容错能力的CANFD收发器，提高通信节点的抗干扰能力。

（二）软件冗余设计

多版本编程采用N版本编程（NVP），即由不同的开发团队使用不同的编程语言和算法，开发同一功能的多个软件版本。在运行时，多个版本并行运行，通过表决机制选择输出结果，避免因软件缺陷导致的系统故障。

数据冗余对关键数据进行备份，采用数据镜像或纠错编码等技术，确保数据在存储和传输过程中的完整性和可靠性。例如，重要参数可以存储在多个存储器中，并定期进行校验和修复。

监控与诊断开发全面的健康监控系统，实时监测各个子系统的运行状态。当检测到异常时，及时发出警报并采取相应的容错措施，例如自动切换到备用模块或重启故障模块。

（三）容错机制

故障检测与隔离采用硬件和软件相结合的方式，实现对故障的快速检测和隔离。硬件层面的故障检测可以通过内置自检（BIST）电路实现，软件层面的故障检测可以通过定时器、看门狗和状态监控等技术实现。一旦检测到故障，立即隔离故障模块，防止故障扩散影响整个系统。

自动恢复系统应具备自动恢复能力，在发生故障后，能够自动切换到备用模块或重启故障模块，恢复系统的正常运行。自动恢复可以通过软件控制的切换开关、冗余电源和重载程序等实现。

安全模式在发生严重故障时，系统可以自动进入安全模式，停止非必要的运行，保留关键功能，并等待地面控制指令。安全模式可以最大限度地降低故障带来的损失，并为后续的故障诊断和修复提供机会。

（四）可靠性提升策略

降额设计在电路设计中，对元器件的额定参数进行降额使用，例如，电阻的实际功率应远小于额定功率，以提高元器件的可靠性和寿命。

热管理航天器内部的温度变化剧烈，对电子设备的可靠性有很大影响。采用有效的散热措施，例如散热器、导热材料和热管等，保持电子设备在适宜的温度范围内工作。

电磁兼容性（EMC）设计航天器内部和外部存在各种电磁干扰，可能影响电子设备的正常工作。采取屏蔽、滤波和接地等措施，提高系统的抗电磁干扰能力。

五、未来趋势：商业航天抗辐照设计的演进方向

随着商业航天的快速发展，对航天器性能和成本的要求不断提高，抗辐照设计也面临着新的挑战和机遇。未来的发展方向可能包括以下几个方面：

（一）技术趋势

高性能与低功耗随着航天器对计算能力和能源效率要求的提升，高性能、低功耗的抗辐照芯片将成为主流趋势。先进的电路设计技术和低功耗工艺将是关键。

小型化与集成化为了适应小型卫星的需求，抗辐照芯片设计将朝着小型化、集成化的方向发展，通过SoC（片上系统）设计将多种功能集成到单个芯片中。

定制化不同的航天任务对芯片的性能和抗辐照能力有不同的要求，因此定制化的抗辐照芯片将越来越受到欢迎。设计人员需要具备快速定制和验证的能力。

（二）市场需求

商业航天活动的蓬勃发展越来越多的卫星和航天器被发射到太空，这些航天器在太空中面临着严酷的辐射环境，因此对抗辐照芯片的需求也随之水涨船高。

卫星小型化和星座部署为了降低成本和提高覆盖范围，越来越多的商业航天公司倾向于采用小型卫星，并构建大规模的卫星星座。这些小型卫星通常采用更先进的电子元器件，对芯片的性能和可靠性提出了更高的要求。同时，大规模星座的部署也意味着需要更多的对抗辐照芯片。

降低成本的诉求传统的宇航级芯片成本高昂，严重制约了商业航天的发展。因此，商业航天公司迫切需要性价比更高的对抗辐照芯片解决方案。这推动了商业级芯片加固技术的发展，以及新型抗辐照芯片的研发。

技术进步芯片设计和制造技术的进步，使得在商业级芯片上实现抗辐照能力成为可能。

（三）未来抗辐照技术

新型抗SET技术随着体硅工艺尺寸的不断减小，总剂量辐照效应的累积效果将逐渐减弱，但单粒子效应由于节点电容的减小而日益明显，尤其是SET效应引发的功能问题将日益严重，并出现多位翻转的情况。因此，关注新型的抗SET技术是未来的研究方向。

SOI技术的发展相较于体硅技术，SOI工艺对单粒子锁定效应完全免疫，并且能够大幅度提高芯片的抗单粒子翻转能力。因此SOI技术是重点发展方向。

AI加持的抗辐照技术AI日益成为一股强大力量，催生企业和社会前所未有的变革。航天领域也不例外，人工智能以及其他前沿技术正在与航天产业深度融合，因此，AI加持的抗辐照技术将可能得到快速发展。