應(yīng)對軍事挑戰(zhàn)：為寬溫度范圍系統(tǒng)設(shè)計

為寬溫度范圍的堅固應(yīng)用設(shè)計嵌入式系統(tǒng)需要仔細關(guān)注細節(jié)并考慮許多方面。只有利用全面的設(shè)計方法，才能實現(xiàn)成功的實施。

對于許多嵌入式應(yīng)用，特別是軍事運輸中的應(yīng)用，或者系統(tǒng)必須在惡劣的室外環(huán)境中運行的應(yīng)用，通常需要-40°C至+ 85°C的寬工作溫度范圍，這可能是一個具有挑戰(zhàn)性的要求。

為了實現(xiàn)如此堅固的系統(tǒng)規(guī)格，設(shè)計需要考慮許多特殊細節(jié)，從電路級別開始，還包括元件選擇，熱設(shè)計和PCB布局，以及設(shè)計驗證測試和生命周期管理，僅舉幾例。可以看出，在實現(xiàn)成功的系統(tǒng)之前，需要考慮許多因素。

組件很重要

主要組件的選擇是一個重要因素，所有有源組件（如處理器芯片、存儲器和穩(wěn)壓器）都需要使用適當?shù)?a target="_blank">工業(yè)溫度級部件，以確保在寬溫度范圍應(yīng)用中的極端溫度下在規(guī)格范圍內(nèi)運行。不太普遍考慮的是，所有無源元件也需要適當?shù)囊?guī)格，電阻器、電容器和晶體都需要仔細選擇。

例如，需要選擇電阻器，使其滿足整個溫度范圍內(nèi)電阻值的容差要求，并且不超過其功率耗散。對于需要精確值但必須放置在其他熱元件附近的電阻器，這是一個特別重要的考慮因素。

電容器在嵌入式設(shè)計中大量使用，主要用于電源平滑和去耦有源元件。需要高值大容量電容器來平滑電源軌，而電解電容器通常用于通用設(shè)計，因為它們在較小的物理體積中提供高電容值。然而，寬溫度范圍的系統(tǒng)設(shè)計通常需要避免使用電解劑，因為這些類型的器件不是固態(tài)的，并且內(nèi)部含有凝膠狀材料。當在極端溫度下操作時，這些材料可能會隨著時間的推移而改變性能，部分干燥，甚至在高溫下長時間使用而失效。

因此，固態(tài)陶瓷電容器是用于寬溫度范圍堅固應(yīng)用的電容器的最佳選擇。電容器有許多陶瓷材料，對于這些應(yīng)用，最好只使用NPO或X7R等具有低溫度系數(shù)的材料，這意味著電容器值在整個工作范圍內(nèi)隨溫度的變化相對較小。標準材料如Y5V的變化可能高達-80%/+20%，而X7R的變化要低得多，只有±15%，而NP0實際上沒有顯著的變化，是一個非常小的±30 ppm/ C。

在電容器值是精心選擇的設(shè)計參數(shù)的任何電路中，穩(wěn)定的電容值都尤為重要。這方面的例子包括穩(wěn)壓器控制環(huán)路中的濾波電路以及時鐘和定時電路。雖然這些低溫度系數(shù)陶瓷器件比通用部件更昂貴，但系統(tǒng)運行一致性和可靠性的改進超過了增加的成本。

選擇低溫度系數(shù)元件也適用于時鐘電路晶體，例如，應(yīng)將其指定為僅20 ppm變化。這確保了時鐘不會隨溫度而改變頻率，從而影響系統(tǒng)運行。否則，這可能會導(dǎo)致系統(tǒng)級的問題，這可能只發(fā)生在極端溫度下，在某些條件下，時鐘意外地偏離其標稱頻率太遠。

散熱設(shè)計是關(guān)鍵

為了減少堅固耐用的嵌入式系統(tǒng)中的內(nèi)部熱源，最好在電源部分使用開關(guān)穩(wěn)壓器，而不是線性或LDO型穩(wěn)壓器。開關(guān)穩(wěn)壓器的效率更高，典型值為90%，而LDO效率取決于壓降和電流，相比之下可能非常低。根據(jù)穩(wěn)壓器兩端的壓降，50%的效率并不罕見。與LDO相比，開關(guān)穩(wěn)壓器的效率更高，這意味著開關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)生的多余熱量要少得多。即使使用開關(guān)穩(wěn)壓器，也應(yīng)實施它，以便設(shè)計已調(diào)整為盡可能高效，以進一步減少任何多余的熱量。在 CPU 消耗最大功率時，在 10 安培的高功率負載條件下尤其如此。

需要設(shè)計一個寬溫度范圍的嵌入式堅固系統(tǒng)，以便考慮從所有發(fā)熱組件中散熱的各個方面。通常，處理器是主要的發(fā)熱部分，但芯片組和調(diào)節(jié)器部件也會產(chǎn)生大量的熱量。因此，處理器和芯片組應(yīng)選擇盡可能低功耗，同時仍滿足應(yīng)用處理要求，并驗證其在所需的溫度范圍內(nèi)運行。從處理器封裝頂部的芯片背面散熱是設(shè)計的關(guān)鍵部分;CNC加工的鋁制散熱器是將熱量從電路板上取下并將其傳遞到外殼（外殼本身被設(shè)計為散熱器）的良好解決方案。散熱器還可用于接觸PCB上大多數(shù)其他主要發(fā)熱元件，例如電源部分的部件，將其熱量從電路板傳導(dǎo)到外殼的外部散熱器表面。風(fēng)扇包含活動部件，因此容易磨損和最終失效。雖然風(fēng)扇的氣流可以非常有效地去除組件的熱量，但無風(fēng)扇設(shè)計是首選，因為它們具有更高的可靠性。無風(fēng)扇系統(tǒng)可以通過考慮仔細的散熱設(shè)計來實現(xiàn)。

印刷電路板布局和設(shè)計

有效的PCB布局也是寬溫度范圍系統(tǒng)的一個關(guān)鍵方面。必須確保熱元件分布在PCB上以避免產(chǎn)生熱點，并且這些熱元件不會太靠近其他熱敏元件，如時鐘晶體。此外，PCB的金屬層可以在必要時進行設(shè)計，以便它們以受控的方式將熱量從PCB的一部分傳導(dǎo)到另一部分。簡而言之，PCB、散熱器和外殼需要設(shè)計為一個整體散熱系統(tǒng)。

選擇PCB材料時，它們具有較高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）。這是電路板材料開始物理變形的溫度，在+ 85°C的最高環(huán)境工作溫度下，PCB的所有部件都設(shè)計為遠低于PCB本身在變形前可以處理的最高溫度。因此，仔細控制熱量的產(chǎn)生和熱流都是設(shè)計過程的一部分，它們不是事后才添加的。通過對PCB、散熱器/散熱器和外殼的精心設(shè)計，可以實現(xiàn)在工作范圍內(nèi)所有溫度下運行非?？煽康淖罴焉峤鉀Q方案。

設(shè)計驗證至關(guān)重要

一旦使用適當選擇的組件生成系統(tǒng)設(shè)計并完成散熱設(shè)計，下一步就是設(shè)計驗證。這是證明整個設(shè)計符合規(guī)范要求的關(guān)鍵步驟。使用了許多要求苛刻的測試，這些測試旨在以不同的方式對系統(tǒng)施加壓力，以暴露任何弱點。對于寬溫度范圍系統(tǒng)，進行長期測試，包括在-40°C和+85°C下擴展操作，以確保滿足基本規(guī)格。對于嵌入式系統(tǒng)，啟動測試尤為重要，可以在所有溫度（包括極端溫度）下執(zhí)行大量操作。還使用熱沖擊測試，其中溫度從-40°C直接快速上升到+ 85°C，通常包括正常運行和溫度斜坡期間的多次啟動測試。這些測試中的任何故障都會得到充分調(diào)查，并在需要時糾正設(shè)計。

一旦設(shè)計驗證完成，在交付給客戶之前，可以在電路板和系統(tǒng)生產(chǎn)過程中進行進一步的測試。例如，在喬木技術(shù)，我們根據(jù)MIL-STD-781D任務(wù)401在生產(chǎn)板上進行振動應(yīng)力篩選，以消除任何在使用壽命期間可能出現(xiàn)的裝配缺陷。圖1是這種寬溫度范圍電路板的一個例子：Arbor EasyBoard-841E具有特定的設(shè)計功能，適用于車輛外部環(huán)境等應(yīng)用，并指定在-40°C至+85°C環(huán)境溫度下工作。

圖 1：阿伯易板-841E寬溫度范圍加固板

產(chǎn)品生命周期管理

對于寬溫度范圍和高可靠性應(yīng)用，較長的產(chǎn)品生命周期是一個關(guān)鍵因素。為了在產(chǎn)品生命周期內(nèi)始終控制和保持質(zhì)量并滿足規(guī)格，制造商需要特別注意在此期間停產(chǎn)（EOL）的產(chǎn)品。符合 EOL 的組件只能替換為符合相同規(guī)格的兼容組件，然后需要重復(fù)設(shè)計驗證步驟。此外，替換組件通常需要是真正的插入式組件，即使具有相同的占地面積;否則，由于需要對PCB布局進行更改，熱環(huán)境可能會發(fā)生變化。因此，這種詳細的物料清單（BOM）控制水平需要擴展，以涵蓋設(shè)計中的所有組件，包括電容器和電阻器，以及更明顯的大型芯片。

設(shè)計方法的一致應(yīng)用

要實現(xiàn)寬溫度范圍的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計，需要在產(chǎn)品設(shè)計的各個階段仔細關(guān)注細節(jié)，從組件選擇到熱設(shè)計，通過驗證測試，甚至在整個產(chǎn)品生命周期內(nèi)維護BOM。因此，設(shè)計成功是有條不紊地應(yīng)用一致的集成設(shè)計方法的結(jié)果，該方法關(guān)注所有這些因素。

審核編輯：郭婷