一、引言随着全球商业航天产业的快速崛起低轨卫星星座已成为构建天地一体化信息网络的重要基础设施。以SpaceX星链、OneWeb以及国内多个正在部署的低轨星座计划为代表成千上万颗卫星需要在轨协同工作实现星间链路与星地链路的高速数据交互。在这一背景下卫星平台内部各分系统之间的通信可靠性直接关系到整个星座的服务质量与在轨寿命。控制器局域网Controller Area NetworkCAN总线自二十世纪八十年代问世以来凭借其高可靠性、低成本和优异的容错能力在汽车电子与工业控制领域获得了广泛应用。随着通信需求的增长CAN FDCAN with Flexible Data-rate协议在保留CAN总线核心优势的基础上将单帧数据 Payload 从 8 字节扩展至 64 字节并将数据段波特率提升至 5 Mbps 乃至更高显著改善了带宽利用率。然而低轨卫星运行于距地面 200 km 至 2000 km 的近地空间长期处于由地球辐射带捕获的高能电子、高能质子以及太阳宇宙射线构成的复杂辐射环境中。半导体器件在空间辐射作用下可能发生总剂量效应Total Ionizing DoseTID、单粒子锁定Single Event Latch-upSEL以及单粒子翻转Single Event UpsetSEU等典型辐射效应进而导致通信接口性能退化或功能失效。因此面向商业航天的 CANFD 通信芯片必须具备充分的抗辐射加固设计以保障星座系统的长期稳定运行。本文以国科安芯 ASM1042S2S 型抗辐射 CANFD 收发器为研究对象系统梳理其电气特性、抗辐射指标及试验验证结果并围绕低轨卫星星座通信场景中的应用需求展开分析旨在为商业航天器通信接口的选型与设计提供技术参考。二、低轨卫星辐射环境特征与通信接口的可靠性挑战低轨卫星所处的空间辐射环境主要由三部分构成地球辐射带中的捕获电子与质子、太阳活动引发的高能粒子事件以及银河宇宙射线。其中南大西洋异常区South Atlantic AnomalySAA是低轨卫星遭遇的高辐射通量区域其内辐射带质子能量可达数百 MeV对卫星电子系统构成显著威胁。根据 NASA 及 ESA 公开发表的空间环境模型数据低轨卫星在典型 500 km 轨道高度、约 50° 倾角条件下硅材料器件每年承受的总剂量约为数十至数百 krad(Si) 量级具体数值与轨道参数、屏蔽条件及太阳活动周期密切相关。对于 CANFD 通信接口芯片而言空间辐射引发的失效机理主要包括以下几类一总剂量效应。长期累积的电离辐射在栅氧化层中产生陷阱电荷与界面态导致 MOS 晶体管阈值电压漂移、跨导退化及泄漏电流增加。对于收发器芯片中的模拟前端电路总剂量效应可能引起驱动能力降低、共模范围收缩以及接收灵敏度恶化进而影响总线信号完整性。二单粒子锁定。当高能重离子或质子穿过 CMOS 结构的寄生可控硅SCR路径时可能触发闩锁效应导致电源与地之间形成低阻抗通路若未及时发现并切断电流器件将因热失控而永久损坏。CAN 收发器通常工作于 5 V 供电电压驱动电流可达数十毫安一旦发生锁定对整星供电系统的影响不可忽视。三单粒子翻转。高能粒子在敏感节点沉积电荷可能改变逻辑状态。对于 CANFD 收发器虽然其主要功能为物理层信号转换内部逻辑相对简单但控制寄存器、模式切换电路及欠压检测模块仍可能受到单粒子扰动导致总线进入异常状态或产生错误帧。三、ASM1042S2S 芯片的技术特性分析ASM1042S2S 是国科安芯面向商业航天领域推出的 CANFD 通信接口芯片采用 VIS 0.15 μm BCD 工艺制造SOP8 封装额定工作温度范围为 −55 °C 至 125 °C。该芯片在设计层面针对空间辐射环境进行了系统加固其核心技术指标如下所述。一通信协议与速率。ASM1042S2S 符合 ISO 11898-2:2016 及 ISO 11898-5:2007 物理层标准支持 CANFD 协议数据段最高 5 Mbps 的传输速率。在低轨卫星平台内部星务计算机、电源管理单元、姿态确定与控制分系统、测控应答机等模块之间通过 CANFD 总线实现指令分发与状态遥测。5 Mbps 的数据段速率可在保持兼容传统 CAN 2.0B 仲裁段最高 1 Mbps的前提下将有效数据吞吐量提升约 5 至 6 倍对于星座卫星批量生产阶段的大量测试数据回传具有显著效率优势。二电气参数与总线保护。该芯片总线引脚CANH、CANL具备 ±70 V 的故障保护能力共模输入电压范围达到 ±30 V。在卫星平台电磁兼容性EMC设计受限、地电位可能存在波动的应用场景中宽共模范围有助于维持接收器的稳定判决。此外收发器集成显性超时保护TXD DTO功能当 TXD 引脚因软件故障或单粒子扰动而持续处于显性电平时内部定时器在 1.2 ms 至 3.8 ms 超时后自动关闭驱动器防止总线永久占用。芯片同时提供热关断TSD及 VCC、VIO 欠压保护机制进一步提升了在轨异常工况下的生存能力。三I/O 兼容性与低功耗设计。ASM1042S2S 支持独立的 VIO 供电引脚可配置为 3.3 V 或 5 V 逻辑电平便于与不同电压域的星载处理器直接对接。在待机模式下总线与逻辑引脚处于高阻态典型功耗低至 0.5 μA对于采用蓄电池加太阳电池阵供电的卫星平台而言低静态功耗有助于延长阴影期能源续航时间。四、抗辐射性能试验验证抗辐射能力的评估依赖于地面模拟试验。ASM1042S2S 已在国内具备 CMA 及 CNAS 资质的第三方试验机构完成了多项辐射效应考核试验条件与结果如下。一总剂量效应试验。依据 QJ 10004A-2018《宇航用半导体器件总剂量辐照试验方法》在北京中科芯试验空间科技有限公司完成钴-60 γ 射线辐照考核。试验结果表明ASM1042S2S 的抗总剂量能力不低于 150 krad(Si)。该指标意味着在典型低轨卫星三氧化二铝屏蔽等效厚度约 3 mm 的条件下芯片可承受超过 10 年的在轨总剂量累积满足商业航天中长期在轨任务需求。二单粒子效应试验重离子。依据 QJ 10005A-2018《宇航用半导体器件重离子单粒子效应试验指南》在中国科学院国家空间科学中心可靠性与环境试验中心完成了 Ge 离子辐照试验。辐照条件为 LET 值 37.4 MeV·cm²/mg、注量 1×10⁷ ion/cm²。试验结果显示在该 LET 值下器件未发生单粒子锁定或单粒子翻转现象SEL 与 SEU 的 LET 阈值均大于 37.4 MeV·cm²/mg。数据手册标定的 SEL 指标为不低于 75 MeV·cm²/mgSEU 指标为不低于 75 MeV·cm²/mg 或 10⁻⁵ 次/器件·天处于商业航天级器件的较好水平。三质子单粒子效应试验。依据 GJB 9397-2018《军用电子元器件中子辐射效应试验方法》及相关质子试验规范在北京中科芯试验空间科技有限公司完成 100 MeV 能量质子、10¹⁰ p/cm² 通量条件下的单粒子效应评估。质子试验结果进一步验证了该器件在低轨质子辐射环境中的单粒子免疫能力。四脉冲激光单粒子效应扫描试验。依据 GB/T 43967-2024《空间环境 宇航用半导体器件单粒子效应脉冲激光试验方法》及 GJB 10761-2022在中国科学院国家空间科学中心采用皮秒脉冲激光装置对芯片进行了 LET 等效范围 5 MeV·cm²/mg 至 100 MeV·cm²/mg 的正面辐照扫描。脉冲激光试验作为重离子与质子试验的补充手段能够在较短时间内定位芯片内部敏感区域为抗辐射设计的持续优化提供空间分布信息。五在轨飞行验证。ASM1042S2S 已于 2025 年 5 月随 TY29天仪 29 星高光谱地质遥感智能小卫星及 TY35天仪 35 星光学遥感卫星发射入轨。根据长沙天仪空间科技研究院有限公司出具的在轨应用证明芯片自进入太空以来运行正常接口通信稳定功能和性能满足卫星在轨应用需求。在轨数据为地面试验结论提供了最直接、最有力的工程验证。五、低轨卫星星座场景下的应用分析一星载数据总线。在低轨卫星平台内部星务分系统通过 CANFD 总线实现对电源、姿控、测控、热控等分系统的统一管理与状态监测。ASM1042S2S 的 5 Mbps 数据段速率可支持更高频次的遥测参数下传对于星座卫星的批量健康状态监控尤为重要。其 −55 °C 至 125 °C 的宽温工作范围覆盖了卫星在轨经历的高低温交变环境。二星间链路接口备份。部分低轨星座计划采用激光或微波星间链路实现全球无缝覆盖。在星间链路终端的调试、测试及应急备份模式下CANFD 总线可作为低速指令与状态回传的辅助通道。抗辐射收发器保障了该备份通道在辐射环境下的可用性。三地面测试与发射场测试。商业星座卫星采用批量生产模式单颗星在出厂前需经历长时间的综合电测试、老炼筛选及环境试验。CANFD 总线作为测试系统与卫星平台之间的标准接口其收发器的可靠性直接影响测试效率。ASM1042S2S 已通过 AEC-Q100 Grade 1 车规认证该认证包含高温工作寿命HTOL、温度循环TC、高加速应力测试HAST等多项可靠性考核为地面测试阶段的高强度使用提供了质量保障。六、结论本文围绕低轨卫星星座通信需求系统分析了空间辐射环境对 CANFD 通信接口芯片的挑战并以 ASM1042S2S 型抗辐射收发器为例从通信协议兼容性、电气参数、总线保护机制、抗辐射试验验证及在轨应用证明等维度展开了技术综述。研究表明ASM1042S2S 在总剂量≥150 krad(Si)、单粒子锁定≥75 MeV·cm²/mg及单粒子翻转≥75 MeV·cm²/mg 或 10⁻⁵ 次/器件·天等关键抗辐射指标上达到了商业航天级器件要求并已在两颗在轨卫星上获得实际飞行验证。对于正在部署或规划中的低轨卫星星座项目该芯片可作为星载 CANFD 总线通信接口的候选方案之一为星座的长期可靠运行提供物理层保障。