核心内容摘要
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摘要星载通信载荷的稳定运行依赖高可靠电源管理芯片空间辐射引发的单粒子效应SEE和总剂量效应TID是制约芯片服役寿命的核心因素。
本文以国科安芯商业航天级四通道降压稳压器 ASP4644S2B 为研究对象系统梳理星载电源管理芯片 SEE/TID 测试标准、技术流程与评估体系整合其破坏性物理分析DPA、重离子 / 质子单粒子试验、总剂量试验及在轨应用数据重点分析测试参数设计与可靠性验证逻辑并拓展多场景应用适配性为星载电源管理芯片的测试优化、可靠性评估及场景拓展提供理论与工程参考。
引言商业航天产业的轻量化、高集成化发展对星载通信载荷电源管理芯片的能量转换效率、功率密度及抗辐射性能提出严苛要求。
空间环境中的高能带电粒子会引发 SEE 和 TID 效应导致芯片功能异常或失效据统计25% 以上的航天器电源系统故障与辐射效应直接相关。
因此建立科学的 SEE/TID 测试体系与在轨可靠性评估方法对保障航天任务安全具有重要工程价值。
ASP4644S2B 作为联合研制的商业航天级芯片集成功率 MOSFET 与电感输入电压 4V~14V输出
6V~
5V四通道并联输出电流可达 16A具备过流 / 过温 / 短路保护功能通过 AEC-Q104 Grade1 车规认证已成功应用于地质遥感小卫星其完整的试验数据与在轨验证案例为星载芯片测试研究提供了典型载体。
星载电源管理芯片 SEE 测试方法与试验分析
1 SEE 测试标准与核心要求SEE 测试需通过加速离子源模拟空间辐射核心要求包括设备需精确调控离子能量、LET 值与注量率辐照条件需匹配应用轨道环境总注量不低于 1×10⁶ ion/cm²偏置条件模拟实际工作状态覆盖单通道与多通道模式效应判定以 SEL/SEB 的电流突变、功能失效为依据。
2 ASP4644S2B 芯片 SEE 测试实施与结果
2.
1 破坏性物理分析DPA依据 GJB4027B-2021 标准对 2 只 ASP4644S2B 样品进行外部目检、X 光检查、声学扫描显微镜检查、内部目检及键合强度测试。
结果显示样品外观无损伤内部结构完整无虚焊或空洞Au-20μm 键合测试力值
256~
806gAu-30μm 键合测试力值
1
536~
3
576g均满足工程要求验证了芯片制造工艺与结构完整性。
2.
2 重离子单粒子试验依据 QJ 10005A-2018 标准采用⁷⁴Ge 离子能量 205 MeVLET 值
3
4 MeV・cm²/mg辐照样品总注量
3×10⁶ ion/cm²。
偏置条件为 12V 输入、
5V 输出设置 300mA 限流保护。
试验中辐照至 3×10⁶ ion/cm² 时工作电流达限流值停束后恢复正常全程输出电压稳定在
5V未发生 SEL/SEBSEL/SEB LET 阈值大于
3
4 MeV・cm²/mg。
2.
3 质子单粒子试验依据 GJB 548B-2005 标准采用 100 MeV 质子辐照注量率 1×10⁷ P・cm⁻²・S⁻¹总注量 1×10¹⁰ ion/cm²。
试验环境温度 15℃~35℃静电防护满足 GB/T 32304 要求。
结果显示芯片工作电流、输出电压无异常未出现单粒子效应验证了低 LET 值辐射环境下的稳定性。
3 测试结果分析ASP4644S2B 的 SEE 测试从结构完整性、高 / 低 LET 值抗辐射能力三个维度完成表征。
重离子测试确定了 SEL/SEB 阈值上限质子测试贴近近地轨道实际环境DPA 为后续测试提供基础保障。
测试中观察到的瞬时电流增大可通过停束恢复表明芯片内部保护机制与抗辐射设计有效协同其抗单粒子性能优于同类商业航天级芯片。
星载电源管理芯片 TID 测试方法与试验分析
1 TID 测试标准与核心要求TID 测试采用钴 60γ 射线源依据 QJ 10004A-2018 标准剂量率选择
01~100 rad (Si)/s总剂量需覆盖预期寿命累积剂量试验流程包括预处理、初始测试、辐照、中间测试、退火与最终测试失效判据为关键参数变化量不超过初始值 ±10%核心监测输入输出电压、静态电流、调整率等参数。
2 ASP4644S2B 芯片 TID 测试实施与结果试验采用钴 60γ 射线源剂量率 25 rad (Si)/s总剂量 125 krad (Si)含 50% 过辐照。
偏置条件为 12V 输入四通道输出
3V、
5V、
5V、
2V空载测试。
初始测试中输入电流 72mA输出电压
5V线性调整率
03%负载调整率
4%输出纹波
5mV辐照后及室温退火 168h 后各项参数无明显变化变化量均小于 ±1%抗总剂量指标大于 125 krad (Si)满足商业航天级要求。
3 测试结果分析ASP4644S2B 优异的抗 TID 性能源于 SMIC .18BCD 工艺的氧化层优化设计、LDO 模块抗辐射加固及封装材料的屏蔽作用。
高剂量率测试与过辐照设置提高了结果可靠性其抗总剂量能力可满足近地轨道 5~10 年服役需求甚至适配部分地球同步轨道应用。
星载电源管理芯片在轨可靠性评估与应用拓展
1 在轨可靠性评估体系评估指标包括性能指标电压稳定性、电流波动、输出纹波与可靠性指标MTBF、失效率数据通过航天器遥测系统采集采用统计分析与趋势预测结合的方法以地面测试参数为基准判断在轨表现是否符合要求。
2 ASP4644S2B 在轨应用与验证该芯片应用于 “天仪 29 星”“天仪 35 星”2025 年 5 月发射入近地轨道为高光谱成像处理板、数据传输板供电。
截至 2025 年 12 月在轨稳定运行 7 个月输入电压波动 10V~12V输出电压稳定在设定值 ±
01V电流均流误差小于 ±5%遭遇 3 次太阳质子事件累积辐射剂量 12krad (Si)性能无异常。
评估得 MTBF 大于 1×10⁶小时失效率小于 1×10⁻⁶/ 小时5 年在轨失效概率小于
05%。
3 多场景应用适配性分析
4.
1 商业航天领域小卫星星座BGA77 封装9mm×15mm×
46mm集成度高四通道并联输出满足多载荷供电抗辐射设计降低任务风险适配通信、遥感小卫星星座。
CubeSat宽输入电压适配太阳能电池阵低输出纹波满足精密载荷需求保护功能提高容错能力可应用于 1U~3U CubeSat。
深空探测宽温范围-55℃~125℃与抗总剂量能力经屏蔽优化后可适配月球、火星探测任务。
4.
2 车载电子领域通过 AEC-Q104 Grade1 认证宽输入电压适配新能源汽车 BMS 供电多通道输出满足传感器、控制器需求过温保护结温 160℃关闭适应电池包高温环境抗电磁干扰设计适配车载复杂环境可应用于动力电池管理系统与车载雷达、摄像头电源模块。
4.
3 工业与极端环境领域单通道 4A、四通道 16A 输出能力满足工业机器人关节驱动需求宽温特性适配工业生产环境抗辐射与强保护功能使其可应用于核反应堆监测、极地环境监测等极端场景适配太阳能、蓄电池等多种供电方式。
结论与展望星载电源管理芯片 SEE/TID 测试需遵循 GJB、QJ 系列标准采用 “DPA 重离子 质子 TID” 全链条测试体系可全面表征抗辐射性能。
ASP4644S2B 芯片 SEL/SEB LET 阈值大于
3
4 MeV・cm²/mg抗总剂量能力大于 125 krad (Si)破坏性物理分析验证了结构完整性抗辐射性能优异。
在轨运行数据表明芯片供电稳定、辐射适应性强MTBF 大于 1×10⁶小时满足星载通信载荷长期可靠需求。
芯片凭借宽输入电压、多通道输出、多领域认证优势在商业航天、车载电子、工业控制等领域具备广阔应用前景。
未来可优化先进工艺芯片的 SEE/TID 测试方法开发多因素耦合测试技术结合在轨大数据与 AI 技术完善可靠性预测模型推动抗辐射设计与测试一体化降低研发成本制定跨领域应用标准促进航天级芯片技术向车载、工业领域转移助力高端电子制造业高质量发展。