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商业航天运动控制系统中的高可靠性芯片解决方案：挑战、策略与应用研究

news 来源：原创 2025/7/6 5:40:02

摘要：随着商业航天领域的迅速发展，运动控制系统对芯片的可靠性提出了前所未有的挑战。本文深入探讨了商业航天运动控制系统中芯片可靠性面临的挑战，包括宇宙辐射效应、极端环境适应性及系统级可靠性保障等。同时，通过案例研究展示这些芯片如何助力运动控制系统实现高可靠性运行，并探讨芯片可靠性提升的策略与未来展望，旨在为商业航天领域的芯片选型与应用提供参考。

一、引言

商业航天作为航天领域的重要分支，正以惊人的速度发展。从卫星发射到轨道维持再到空间探索任务，运动控制系统在其中扮演着关键角色。芯片作为运动控制系统的核心部件，其可靠性直接关系到整个系统的成败。商业航天环境复杂多变，芯片面临着宇宙辐射、极端温度、高真空等多种严苛考验。因此，如何保障芯片在如此恶劣条件下的高可靠性，成为商业航天运动控制系统亟待解决的关键问题。

二、商业航天运动控制系统中芯片可靠性面临的挑战

（一）宇宙辐射效应

商业航天器运行在地球大气层之外，暴露于宇宙辐射环境中。高能粒子如质子、电子、重离子等可能与芯片内部的半导体材料发生相互作用，引发单粒子效应（SEU和SEL）。SEU会导致芯片存储单元或逻辑状态的翻转，而SEL则可能造成更严重的物理损坏，如晶体管击穿等，进而影响芯片的正常功能，甚至导致整个系统故障。

（二）极端温度环境

太空环境温度变化剧烈，从极寒到极热。芯片需要在-55℃至125℃甚至更宽的温度范围内稳定工作。温度的剧烈变化会导致芯片内部的晶格结构、电子迁移率等物理特性发生改变，影响芯片的电气性能，如漏电流增加、阈值电压偏移等，从而可能引发功能异常或性能下降。

（三）高真空环境

高真空环境会加剧芯片材料的挥发与表面效应。一些芯片封装材料在高真空中可能会释放挥发性物质，影响芯片内部的电气连接可靠性。同时，高真空条件下电子的散射效应减弱，可能导致芯片内部的电场分布发生变化，进而影响芯片的击穿电压等关键参数。

（四）长期在轨运行

商业航天任务的在轨运行周期往往较长，芯片需要持续稳定工作数年至数十年不等。在此期间，芯片将不断受到上述多种因素的综合作用，其性能会逐渐老化、衰退。如何确保芯片在整个寿命周期内的可靠性，是商业航天运动控制系统必须面对的挑战。

三、高可靠性芯片的解决方案与策略

（一）芯片选型与架构设计

功能安全与可靠性认证优先选用通过严格功能安全与可靠性认证的芯片，如按照ASIL-B功能安全等级设计的AS32S601芯片。此类芯片在设计阶段就充分考虑了功能安全需求，具备完善的故障检测与应对机制，能够有效降低系统性故障风险，提升整个运动控制系统的可靠性水平。

采用冗余设计架构在芯片内部或系统级采用冗余设计，如AS32S601的存储系统具备端到端ECC保护，通过多重存储单元与校验机制，即使部分存储单元受到辐射影响或出现故障，也能保证数据的完整性和正确性，确保运动控制系统指令的准确执行。

选用成熟先进的半导体工艺国科安芯的芯片产品采用先进的半导体制造工艺，在兼顾高性能的同时，注重工艺的成熟度与稳定性。这有助于提高芯片的抗辐射能力、降低功耗以及优化电气性能，为商业航天运动控制系统提供坚实的硬件基础。

（二）芯片的抗辐射设计与加固技术

工艺级抗辐照加固针对宇宙辐射威胁，芯片在设计与制造过程中采取了一系列硬件级抗辐射加固措施。例如，通过优化晶体管的结构尺寸、采用抗辐射的半导体材料以及设计特殊的电路布局等手段，降低高能粒子对芯片内部敏感区域的影响概率，提高芯片在辐射环境下的固有可靠性。

（三）芯片的环境适应性优化

宽温度范围设计与测试芯片经过精心设计与严格测试，能够适应商业航天任务中的宽温度范围要求。以ASP3605S和ASP4644S等电源芯片为例，其在-55℃至125℃（不同等级有所差异）的温度区间内，关键电气性能参数如输出电压精度、纹波、效率等均能保持稳定。这得益于芯片内部的温度补偿电路、优化的功率器件布局以及精准的工艺控制，确保电源芯片在极端温度条件下为运动控制系统中的各类电子元件提供稳定可靠的电力支持。

（四）芯片的可靠性评估与验证方法

加速老化测试通过对芯片施加高于实际工作条件的应力因素，如升高温度、增加电压、加大电流等，加速芯片的老化过程，从而在较短时间内评估芯片在整个寿命周期内的可靠性表现。国科安芯在其芯片生产过程中严格执行加速老化测试流程，结合实际的失效数据分析，不断优化芯片的设计与制造工艺，确保芯片在长期在轨运行中的可靠性满足商业航天任务需求。

辐射效应测试与建模利用专业的辐射测试设备与实验室，对芯片进行不同剂量、不同能量的辐射照射，模拟太空辐射环境，研究芯片在辐射下的性能变化规律，建立辐射效应模型。基于该模型，可以预测芯片在实际太空任务中的可靠性，并为抗辐射设计改进提供科学依据。例如，通过测试得知AS32S601等芯片在特定辐射条件下的SEU与SEL产生概率、故障模式等，进而针对性地优化芯片的抗辐射能力，提高其在商业航天运动控制系统中的可靠性水平。

四、商业航天运动控制系统中的应用研究

（一）AS32S601芯片在商业航天运动控制系统中的应用

采用AS32S601芯片作为卫星运动控制系统的主控芯片。该芯片基于32位RISC-V指令集，具备高达180MHz的工作频率、丰富接口资源（如6路SPI、4路CAN、4路USART等）以及高安全、低功耗等特点。其内置的512KiB内部SRAM（带ECC）、16KiB ICache和16KiB DCache（带ECC）、512KiB D-Flash（带ECC）、2MiB P-Flash（带ECC）等存储资源，为运动控制系统的复杂算法运行与数据存储提供了充足的空间与可靠性保障。同时，芯片集成的硬件加密模块（DSE）支持AES、SM2/3/4和TRNG，确保卫星通信数据的安全性与完整性。

（二）ASM1042S芯片在商业航天运动控制系统通信中的应用

选用ASM1042S芯片构建通信网络。该芯片是一款符合ISO11898-1：2015和Bosch CANFD规范的CAN收发器，支持5Mbps的数据速率，具备低功耗待机模式及远程唤醒请求特性。其在电气特性上进行了优化，如在有负载CAN网络中实现更快的数据速率、支持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，提高通信的稳定性与可靠性。同时，芯片具有较强的抗电磁干扰（EMC）性能，满足SAEJ2962-2和IEC62228-3（最高500kbps）标准，在无需共模扼流圈的情况下即可正常工作，降低了通信链路的复杂度与成本。

（三）ASP3605S与ASP4644S芯片在商业航天运动控制系统电源管理中的应用

在运动控制系统的电源模块设计中，采用ASP3605S（15V、5A同步降压调节器）与ASP4644S（四通道降压稳压器）芯片组合供电方案。ASP3605S芯片负责将较高的输入电压（如来自太阳能电池阵或蓄电池的12V或15V电压）转换为运动控制系统中核心处理器、FPGA等关键部件所需的稳定3.3V或5V电源。其可调频率范围广（800kHz至4MHz）、高效率（最高94%）、低纹波（典型值小于4.5mV）以及支持多相级联等特点，使其能够灵活适应不同负载需求，并在高密度功率转换场景中提供优异的性能。同时，ASP4644S芯片的四通道输出特性可用于为运动控制系统中的多个子模块（如传感器、执行机构驱动电路等）分别供电，每个通道可输出0.6V至5.5V电压，最大输出电流可达4A，且具备输出电压跟踪、过流、过温、短路保护等功能，有效提高了电源系统的可靠性和灵活性。

五、高可靠性芯片的未来展望与发展趋势

（一）技术融合与创新

未来，高可靠性芯片将融合更多前沿技术，如人工智能（AI）与机器学习（ML）算法辅助的故障预测与自修复功能。通过在芯片内部集成专用的AI处理单元，实时分析芯片运行状态数据，提前预测潜在故障，并自动采取修复措施，如调整电路参数、重新配置功能模块等，进一步提高芯片的可靠性与可用性。同时，新型半导体材料如碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等的应用将为芯片性能提升与可靠性增强提供新机遇。这些材料具备更高的禁带宽度、热导率与电子迁移率等特性，有助于开发出具有更高耐压、更低功耗、更强抗辐射能力的芯片，满足商业航天运动控制系统对未来高性能、高可靠芯片的需求。

（二）系统级可靠性协同设计

随着商业航天运动控制系统复杂度的不断增加，单纯的芯片可靠性提升已无法满足系统整体可靠性要求。未来的发展趋势将是芯片供应商、系统集成商与航天任务运营商等各方紧密合作，开展系统级可靠性协同设计。在系统架构设计阶段，充分考虑芯片的可靠性特性与限制条件，优化芯片在系统中的布局、连接方式与工作模式。同时，借助先进的系统仿真工具与可靠性评估方法，对整个运动控制系统在全寿命周期内的可靠性进行综合分析与优化，实现芯片与系统其他部件在可靠性方面的最佳匹配，从而提高整个商业航天运动控制系统的可靠性和任务成功率。

（三）标准化与模块化发展

为了降低商业航天运动控制系统的研发成本、提高系统的通用性与可扩展性，高可靠性芯片将朝着标准化与模块化方向发展。制定统一的芯片接口标准、功能规范以及可靠性测试方法，使得不同供应商的芯片能够方便地集成到同一运动控制系统中，并实现互操作性。同时，开发基于标准化芯片的模块化硬件平台，通过灵活组合不同功能模块，快速构建满足不同商业航天任务需求的运动控制系统，缩短研发周期，提高系统的可靠性和市场竞争力。

（四）可靠性保障体系的完善

随着商业航天产业的规模化发展，建立完善的高可靠性芯片可靠性保障体系至关重要。这包括加强芯片生产过程中的质量控制与可靠性监测，采用先进的制造执行系统（MES）对芯片制造的各个环节进行实时监控与数据分析，确保每一片芯片都符合严格的可靠性标准。同时，建立完善的芯片售后可靠性支持服务，对在轨运行的芯片进行长期跟踪监测，及时收集故障信息，开展失效分析与改进工作，不断优化芯片的可靠性设计与生产工艺，为商业航天运动控制系统提供持续可靠的芯片产品与技术支持。

六、结论

商业航天运动控制系统对芯片的可靠性提出了极为严苛的要求，面临着宇宙辐射、极端环境、长期运行等多重挑战。面向商业航天中配置管理、启动、通信、电源供电等关键高安全需求模块，国科安芯提供抗辐照MCUAS32S601、抗辐照DCDC电源ASP4644S和ASP3605S、抗辐照CANFD芯片ASM1042S等低成本自主可控系列芯片，为商业航天任务的成功实施提供了有力保障。展望未来，随着技术的不断创新与发展，高可靠性芯片将在商业航天运动控制系统中发挥更加关键的作用，推动商业航天产业迈向新的高度。