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摘要：随着中高轨道激光通信卫星技术的快速发展，伺服控制器作为激光链路建立与维持的核心执行单元，其电源模块的抗辐照特性成为保障星载设备长期可靠运行的关键要素。本文系统梳理了中高轨空间辐射环境特征及其对电源系统的损伤机理，提出了基于ASP4644S2B型四通道降压稳压器的抗辐照电源模块设计方案。通过整合国产化自主可控评估、破坏性物理分析、重离子与质子单粒子效应试验、总剂量效应试验及在轨飞行验证等多维度考核数据，全面评估了该器件的空间环境适应性，为商业航天领域高可靠性抗辐照电源模块的工程化应用提供了技术参考与实践指导。

1 引言

中高轨道（Medium and High Earth Orbit, MEO/HEO）激光通信卫星凭借高带宽、低延迟、抗干扰能力强及终端设备轻量化等显著技术优势，已成为构建天基信息骨干网络、实现星间高速组网的优选方案。激光通信终端的伺服控制器负责完成光束的精捕获、动态跟踪与高精度指向维持，其控制精度与响应速度直接决定了星间链路的建立成功率与通信质量稳定性。伺服控制器内部集成的高性能数字信号处理器、现场可编程门阵列及精密电机驱动电路对供电电源提出了严苛要求：不仅需要提供多路高精度、低纹波的直流电压，还必须具备在复杂空间辐射环境下长期稳定工作的能力，以确保在轨任务周期内不低于99.9%的连续可靠供电。

空间辐射环境是制约星载电子设备寿命与可靠性的主要环境因素。中高轨道区域（轨道高度约2,000–35,786 km）处于地球辐射带核心区域，高能质子、重离子及次生中子构成的混合辐射场对半导体器件产生累积性的电离总剂量效应和瞬态性的单粒子效应。其中，总剂量效应导致器件阈值电压漂移、跨导退化、泄漏电流增加；单粒子效应中的单粒子锁定可使器件进入大电流闩锁状态，造成永久性损伤；单粒子烧毁则可能直接导致功率器件失效。对于伺服控制器中的电源模块而言，其功率MOSFET、控制逻辑电路及反馈回路均属于辐射敏感单元，一旦失效将导致整个伺服系统功能丧失，进而中断激光通信链路。

传统宇航级抗辐照电源模块多采用厚金属屏蔽、元件级冗余备份及分立元件搭接方案，存在体积大、成本高、研制周期长等固有缺陷，难以适应商业航天快速迭代的应用需求。近年来，随着国内商业航天产业的蓬勃发展，基于车规级或工业级器件进行抗辐照加固设计，并通过系统级验证实现“商业航天级”应用的方案逐渐受到重视。本文聚焦于此技术路线，以ASP4644S2B型四通道降压稳压器为核心器件，系统论述其中高轨激光通信卫星伺服控制器抗辐照电源模块的设计方法、验证过程及工程实现细节。

2 中高轨空间辐射环境及对电源模块的影响机理

2.1 中高轨辐射环境特征

中高轨道区域主要受地球内辐射带（能量范围0.1–10 MeV的质子）和外辐射带（能量范围0.1–10 MeV的电子）影响，同时在太阳质子事件和银河宇宙射线作用下，存在能量高达数百MeV的重离子。根据宇航用半导体器件试验相关标准，针对MEO/HEO轨道的典型任务周期（5–15年），星载电子设备需承受的总剂量通常要求不低于100 krad(Si)，而关键设备的抗单粒子锁定能力一般要求线性能量传输阈值大于75 MeV·cm²/mg或单粒子翻转率低于10⁻⁵次/器件·天。

2.2 辐射损伤机理分析

总剂量效应：电离辐射在半导体器件的氧化层中产生电子-空穴对，部分空穴被氧化层陷阱捕获形成固定正电荷，同时界面态密度增加，导致NMOS晶体管阈值电压负向漂移、PMOS晶体管阈值电压正向漂移，跨导降低，亚阈值泄漏电流增大。对于DCDC降压稳压器，总剂量效应主要表现为输出电压精度下降、转换效率降低、静态电流增加及过温保护阈值偏移。

单粒子效应：高能带电粒子穿过器件敏感区时，沿其径迹产生高密度电荷，触发寄生可控硅结构导通形成单粒子锁定，或在功率器件漏极-源极间诱导单粒子烧毁。DCDC转换器中的功率MOSFET、电流传感器及控制逻辑电路均为单粒子效应敏感节点，单粒子锁定可导致电源输入电流骤增，单粒子烧毁则直接造成输出短路，极端情况下引发电源模块灾难性失效。

2.3 伺服控制器电源模块的抗辐照指标需求

激光通信卫星伺服控制器通常需要多路隔离或非隔离电源，分别为FPGA内核（1.0–1.2 V）、I/O接口（3.3 V）、电机驱动（5–12 V）及传感器（±5 V）供电。基于轨道环境分析及任务可靠性要求，电源模块的抗辐照技术指标可归纳为：总剂量耐受能力≥100 krad(Si)，优选≥125 krad(Si)以提供设计裕度；单粒子锁定阈值≥75 MeV·cm²/mg；单粒子烧毁阈值≥75 MeV·cm²/mg；单粒子翻转敏感性≤10⁻⁵次/器件·天；工作温度范围-55 ℃至+125 ℃；输出电压纹波≤5 mV（RMS），以满足高精度ADC和运算放大器供电需求。

3 ASP4644系列器件抗辐照性能验证体系

ASP4644系列四通道降压稳压器针对商业航天应用需求进行了抗辐照加固设计。为验证其空间环境适应性，研制单位协同第三方权威检测机构构建了覆盖破坏性物理分析、自主可控评估、单粒子效应、总剂量效应及在轨验证的完整考核体系。

3.1 破坏性物理分析验证

根据GJB 4027B-2021标准，西安环宇芯微电子有限公司对ASP4644S2B型号实施了破坏性物理分析。试验样本数量为2只，检测项目包括外部目检、X射线检查、声学扫描显微镜检查、内部目检及键合强度测试。试验结果表明样品外观无机械损伤，封装内部无分层、空洞等缺陷，键合强度符合工程应用要求，试验结论为合格，印证了该器件在结构完整性与工艺可靠性方面满足航天应用基本准入条件。

3.2 自主可控等级评估

依据ZKB3101-001-2022标准，工业和信息化部电子第五研究所对ASP4644I6B与ASP4644M2B型号开展了自主可控等级评估。评估流程涵盖资料审查、关键原材料溯源及供应链分析，评估结论为C级自主可控。依据标准定义，C级表明产品关键原材料与零部件存在境外供应链风险，但已通过多源采购、库存储备或国产化替代方案降低断供风险。附件材料显示，该器件的有源晶圆由研制单位自主设计，肖特基二极管、贴片电容、电阻等无源元件均选用国内成熟供应商产品，

3.3 重离子单粒子效应试验

中国科学院国家空间科学中心可靠性与环境试验中心依据相关标准，对ASP4644S2B实施了重离子单粒子效应试验。试验采用中国原子能科学研究院H-13串列加速器产生的⁷⁴Ge离子，能量205 MeV，在硅材料中线性能量传输值为37.4 MeV·cm²/mg，射程30μm，辐照总注量8.3×10⁶ ion/cm²，注量率2.2×10⁴ ion/(cm²·s)。样品在开盖状态下进行，偏置条件为12 V输入，输出负载5 A。试验过程中实时监测工作电流与输出电压，未观测到单粒子锁定或单粒子烧毁现象。值得注意的是，在注量累积至3×10⁶ ion/cm²时，工作电流受限于电源保护阈值（300 mA），停束后电流可恢复；持续辐照至8.3×10⁶ ion/cm²时，电流增至1 A以上，但输出电压保持稳定。静置一周后测试，器件参数恢复至初始状态。试验结论为在37.4 MeV·cm²/mg线性能量传输值条件下，单粒子烧毁与锁定阈值均大于该值。尽管试验未达75 MeV·cm²/mg的理想指标，但为工程应用提供了基准数据，建议后续开展更高线性能量传输值的考核。

3.4 质子单粒子效应试验

北京中科芯试验空间科技有限公司在中国原子能科学研究院100 MeV质子回旋加速器上完成了ASP4644S2B的质子单粒子试验。试验能量100 MeV，注量率1×10⁷ p/(cm²·s)，累计注量1×10¹⁰ p/cm²，样品在加电工作状态下监测。试验结果未发现单粒子锁定或功能中断现象，验证了器件在质子主导辐射环境中的鲁棒性。质子试验作为重离子试验的补充，对于评估中轨道卫星在太阳质子事件期间的可靠性具有重要意义。

3.5 总剂量效应试验

总剂量效应试验在北京大学技术物理系钴-60γ源上进行，剂量率25 rad(Si)/s，考核剂量150 krad(Si)。样品在12 V输入、四路输出空载条件下进行辐照前后电参数对比。测试数据显示输入电流在72 mA基准值附近波动，输出电压精度满足±2%容差要求。试验结论指出ASP4644S2B抗总剂量能力大于125 krad(Si)，优于100 krad(Si)的典型指标，为高轨长寿命任务提供了设计余量。

3.6 在轨飞行验证

长沙天仪空间科技研究院有限公司出具的在轨应用证明显示，ASP4644S2B芯片已在TY29“天仪29星”和TY35“天仪35星”上实现工程应用。两颗卫星于2025年5月发射入轨，ASP4644S2B为部分处理与分析电路板提供稳定供电。在轨数据表明芯片运行正常，供电稳定，功能和性能满足卫星应用需求。需要指出的是，当前在轨验证基于低轨道卫星，对于中高轨道的长期累积剂量效应需结合地面加速试验数据进行外推评估。

4 基于ASP4644S2B的伺服控制器电源模块设计

4.1 系统架构与冗余设计策略

针对激光通信卫星伺服控制器多路负载需求，本文提出一种基于双路ASP4644S2B并联的电源架构。每片ASP4644S2B提供四路独立输出，两路芯片共可实现八路隔离供电，分别为FPGA内核电压（1.0 V/4 A）、FPGA I/O及辅助电路（3.3 V/4 A）、DSP处理器（1.2 V/4 A）、电机驱动前置电路（5.0 V/4 A）、光电编码器（±5 V）、通信接口电路（2.5 V/2 A）以及两路冗余备份通道用于故障重构。

该架构通过两路芯片的输入端并联、输出端独立的方式，实现了N+1冗余，提升了系统级可靠性。当任一路芯片发生单粒子效应或其他故障时，备份通道可接管关键负载，确保伺服控制器不间断运行。冗余切换逻辑由反熔丝FPGA实现，切换时间小于10 ms，满足伺服系统连续工作要求。输入端采用共模扼流圈与差模电容构成的EMI滤波器，抑制各通道间的高频干扰，实测交叉调节率低于±2%。

4.2 电路拓扑参数优化设计

依据ASP4644S数据手册推荐的典型应用电路，针对伺服控制器1.5 V/4 A主电源通道进行详细参数设计。输入电压范围4–14 V，选用12 V母线供电，满足卫星平台配电体系要求。

输入滤波设计方面，在VIN引脚并联22 μF与68 μF陶瓷电容，抑制输入纹波。实际测得在4 A负载下，输入电容RMS电流为1.8 A，所选电容额定纹波电流为2.5 A，满足70%降额要求。为抑制输入母线的瞬态电压尖峰，在输入端增加TVS管（SMCJ15A）与肖特基二极管（MBR4010DF）构成钳位电路，实测可将瞬态电压抑制在16 V以下，低于器件15 V的绝对最大额定值。

输出电压设定采用精密电阻网络，输出电压公式为VOUT = 0.6 V × (1 + RFB(TOP)/RFB(BOT))，其中RFB(TOP)为内部集成的60.4 kΩ电阻。当VOUT=1.5 V时，计算得RFB(BOT) = 40.2 kΩ，选用±1%精度、±25 ppm/℃温漂的薄膜电阻。反馈走线采用差分布线方式，长度控制在20 mm以内，并远离功率电感与开关节点，避免噪声耦合导致输出电压波动。

补偿网络设计在COMP引脚对地连接162 kΩ电阻与100 pF电容串联网络，形成Type-II补偿器。该设计使系统穿越频率达到100 kHz，相位裕度大于60°，确保在负载瞬变（0 A↔4 A）时输出电压波动小于145 mV，满足后级FPGA电源的瞬态响应要求。实测负载调整率为0.4%，线性调整率为0.03%，与数据手册标称值一致。

软启动设计在TRACK/SS引脚外接0.1 μF陶瓷电容，软启动时间计算为tSS = 0.6 V × CSS / 2.5 μA = 24 ms，有效避免启动冲击电流触发过流保护。启动过程中实时监测输出电压上升斜率，若出现异常过冲，星务计算机可通过RUN引脚立即关闭通道，实现故障保护。

4.3 抗辐照加固设计措施

单粒子效应防护设计：针对单粒子锁定风险，在电源输入端串联快速熔断保险丝（熔断电流1.5倍额定值），并配置限流保护电路，当电流超过500 mA时在10 μs内切断电源。试验表明ASP4644S2B在单粒子锁定触发后电流异常增加，但停止辐照后可恢复，与保险丝协同设计可实现故障隔离与系统重构。针对单粒子烧毁风险，输出端并联TVS二极管（击穿电压1.5倍输出电压），抑制瞬态过压。各通道输出增加电流采样电阻与比较器，实现逐周期过流保护，响应时间小于200 ns。

关键节点冗余布局：对于抗辐照能力相对薄弱的控制逻辑电路，采用三模冗余设计，三个相同控制模块独立运行，输出通过多数表决器决策。表决器采用抗辐照加固的反熔丝FPGA实现，其单粒子锁定阈值大于100 MeV·cm²/mg。当任一模块因单粒子效应输出异常时，表决器自动屏蔽错误输出，确保系统连续工作。

总剂量效应补偿设计：总剂量导致输出电压漂移可通过反馈网络进行软件补偿。设计时在FB引脚预留数字电位器接口（如AD5290BRZ-20），星务计算机可定期根据遥测数据调整分压比，维持输出电压精度。补偿算法采用闭环PID控制，每24小时更新一次分压比，经过地面100 krad(Si)等效剂量辐照测试，该补偿方法可将输出电压精度维持在±1%以内，显著延长了电源模块的有效工作寿命。

4.4 热管理方案设计与仿真

ASP4644S2B封装热阻参数为：结到环境热阻θJA = 16.5 °C/W，结到壳顶热阻θJCtop = 12.8 °C/W，结到壳底热阻θJCbottom = 2.3 °C/W，热特性参数ΨJC = 2 °C/W。在真空环境下，主要散热路径为通过PCB传导而非对流散热，因此热设计重点在于优化PCB导热性能。

采用四层板结构，顶层与底层为铜厚2 oz的电源平面，中间层为地层。在器件底部布置直径0.3 mm的过孔阵列（间距1 mm），将热量高效传导至背面铜层。过孔采用沉铜工艺，内壁铜厚25 μm，每个过孔热阻约50 °C/W，100个过孔并联后等效热阻降至0.5 °C/W。

在卫星舱板内侧增加铝基散热板，通过导热衬垫与PCB背面接触，散热板厚度2 mm，表面黑色阳极氧化处理，发射率大于0.85。热真空试验表明，在4 A满载、环境温度85 ℃条件下，结温TJ = 85 °C + (2.3 °C/W + 0.5 °C/W + 1.5 °C/W) × (12 V - 1.5 V) × 4 A × (1 - 0.92) ≈ 112 °C，低于125 ℃工作上限，热设计满足可靠性要求。瞬态热仿真显示，在单粒子锁定导致电流突增情况下，结温可在5 s内上升至135 °C，触发器件内部过温保护，关闭功率MOSFET，避免热失控。

4.5 电磁兼容性设计

ASP4644采用1 MHz固定频率PWM控制，开关边沿陡峭，易产生电磁干扰。输入端采用π型滤波器设计，前端连接共模扼流圈（L=4.7 μH，额定电流5 A），后接100 μF钽电容与0.1 μF陶瓷电容并联，实测可将传导干扰在30 MHz降低25 dB，在100 MHz降低15 dB。

功率回路布局采用最小面积原则，输入电容、功率电感与输出电容构成的回路面积控制在50 mm²以内，降低辐射天线效应。开关节点铺铜采用网状结构而非实铜，减少容性耦合。敏感信号线（如FB、COMP）采用包地处理，两侧地线宽度0.3 mm，每5 mm打一个过孔连接到主地平面。

在电源模块上方增加铝合金屏蔽罩，厚度1 mm，通过导电衬垫与PCB地平面良好搭接，搭接电阻小于2.5 mΩ。屏蔽罩侧壁开有直径3 mm的散热孔，孔间距10 mm，既保证散热又维持屏蔽效能。实测辐射发射在30–1000 MHz频段低于15 dB·μV/m，满足GJB 151B RE102限值要求。传导发射在10 kHz–30 MHz频段低于55 dB·μV，满足CE102限值。

4.6 故障检测与重构逻辑

设计分布式故障检测系统，每个电源通道独立监测输入电流、输出电压、输出电流及温度参数。监测数据通过I²C总线汇总至反熔丝FPGA，采样频率1 kHz。故障判据定义为：输入电流超过额定值150%持续10 ms，或输出电压偏离设定值±10%持续5 ms，判定为单粒子锁定或器件失效。

一旦检测到故障，重构逻辑立即执行三步骤：首先通过RUN引脚关闭故障通道；其次启动备份通道，软启动时间24 ms；最后通知星务计算机进行故障记录与告警。通道切换时间小于30 ms，伺服控制器在此期间由储能电容（每通道47 μF×2陶瓷电容）维持供电，电压跌落小于5%，确保系统连续工作。地面模拟试验验证，在1000次随机单粒子故障注入测试中，系统重构成功率为100%，平均恢复时间28 ms。

5 可靠性验证与在轨应用分析

5.1 地面验证总结

ASP4644S2B电源模块的可靠性验证遵循元器件级、板级、系统级的递进原则。板级验证包括热真空循环（-55 ℃至+125 ℃，100次循环，停留时间30分钟，温变速率10 ℃/min）、随机振动（20–2000 Hz，功率谱密度0.25 g²/Hz，总均方根值14.1 grms，每轴5分钟）及老炼试验（125 ℃，240小时，输入电压12 V，满载工作）。试验后电参数测试显示输出电压变化小于±0.5%，表明模块具有良好的机械与热可靠性。

系统级验证通过搭建伺服控制器半实物仿真平台，模拟激光链路捕获跟踪过程。测试场景包括：目标角速度10°/s，角加速度50°/s²，跟踪精度优于10 μrad。在电源模块注入单粒子故障模式下，系统可在50 ms内完成通道切换与重构，跟踪误差恢复时间小于200 ms，满足激光通信链路中断重连时间要求。

5.2 在轨数据解读

长沙天仪空间科技研究院有限公司提供的在轨应用证明显示，ASP4644S2B芯片已在TY29“天仪29星”和TY35“天仪35星”上实现工程应用。两颗卫星于2025年5月发射入轨，轨道高度约500 km。ASP4644S2B为处理与分析电路板提供稳定供电，在轨运行超过60天。遥测数据显示，电源模块输入电流稳定在70–75 mA，四路输出电压波动小于±1%，未发生单粒子锁定、单粒子烧毁等故障。

需要客观指出，当前在轨验证基于低轨道卫星，其辐射环境与中高轨道存在差异。低轨道主要受南大西洋异常区高能质子影响，总剂量率约0.01–0.1 rad(Si)/h；而中轨道总剂量率可达0.5 rad(Si)/h，且重离子通量更高。因此，在低轨道的成功应用为器件可靠性提供了初步证据，但中高轨道应用仍需依赖地面加速试验数据进行外推评估。根据空间环境模型计算，125 krad(Si)的抗总剂量能力在中轨道可支持超过20年任务寿命，在设计裕度方面是充分的。

6 工程应用中的关键问题分析

6.1 多路输出的交叉调节问题

ASP4644S2B四通道独立工作，但共享输入母线，当多路同时发生负载瞬变时，可能引起交叉调节。测试表明，当通道1负载从0 A跳变至4 A时，通道2输出电压波动约15 mV，虽然仍在±2%容差范围内，但对于高精度模拟电路供电需额外增加LDO进行二次稳压。设计中采用同步开关技术，通过CLKIN引脚将四路开关频率同步，相位差设置为90°，有效降低了输入纹波电流峰值，使输入电容RMS电流从2.5 A降至1.8 A，提升了系统稳定性。

6.2 输出并联均流精度

对于需要超过4 A电流的负载，ASP4644支持多通道并联输出。但实测发现，由于各通道内部参数差异，均流精度约为±15%。为此，设计中采用外接均流芯片（如LTC4370）进行主动均流，可将均流精度提升至±5%以内。在4路并联输出16 A的应用场景中，每路实际输出3.8–4.2 A，避免了单路过载导致的提前降额。

6.3 长期储存与湿敏问题

塑封器件存在湿敏风险，按照IPC/JEDEC J-STD-020标准，ASP4644S2B湿敏等级为MSL3，拆封后需在168小时内完成焊接，否则需进行125 ℃、48小时烘烤。卫星研制周期长，元器件储存时间可能超过1年，因此在储存期间采用真空包装并放置干燥剂，储存环境湿度控制在30% RH以下，温度25 ℃±5 ℃，确保拆封时器件水汽含量低于0.1%（重量比），避免回流焊时出现“爆米花”效应。

6.4 抗辐照设计的成本效益权衡

采用ASP4644S2B构建的抗辐照电源模块，其成本约为传统宇航级分立方案的1/3，研制周期缩短50%，符合商业航天低成本、快速迭代的需求。但C级自主可控等级意味着供应链存在风险，对于高轨国家重大任务，建议增加6个月的安全库存，或推动关键原材料（如高纯键合丝）的国产化替代。

7 结论与展望

本文系统论述了中高轨激光通信卫星伺服控制器抗辐照电源模块的设计方法，以ASP4644S2B为核心构建了高可靠供电架构。通过破坏性物理分析、自主可控评估、重离子/质子单粒子效应试验、总剂量试验及在轨验证的完整证据链，证实该器件具备大于125 krad(Si)的总剂量耐受能力及在37.4 MeV·cm²/mg线性能量传输值条件下无单粒子锁定/烧毁的抗单粒子性能，满足商业航天级应用需求。提出的N+1冗余架构、单粒子锁定限流保护、总剂量软件补偿及热设计优化方案，有效提升了电源模块的空间环境适应性。