极端环境推动设计创新

2015-09-18 13:40:16来源: EEWORLD
世界上最具挑战的应用便是在恶劣环境下工作的应用,比如井下钻探。 针对此类应用设计的精密设备必须能够耐受极端的压力、冲击和振动,同时具有小尺寸和较长的电池寿命。 然而,设计工程师面临的最大挑战也许是如何保护这些功能免受极端温度的影响。 
 
本文作者是Jeff Watson和Maithil Pachchigar,ADI公司应用工程师。 
 
平均而言,地热梯度约为25°C/km,但某些地区可能更高。 此外,由于全球对能源的需求有所上升,油田服务公司开发更热油井的动机也在不断增加。 由于无法在这种环境下冷却电子设备,现在对于能可靠工作在200°C以上的精密仪器的迫切需求也在增长。因此,该领域的工程师也在不断突破技术限制,对以前从未尝试过的区域实现探索。 
在设计工程中,可靠性永远是至关重要的;然而在这些行业中可靠性更为关键,因为出故障的代价极高。 一个例子是,可能需要花超过一天的时间回收并替换正在地下数公里作业的钻柱电子组件;另外,操作一个海上钻井平台的成本可能超过每天500,000美元,这对公司来说是一个高代价难题。 
 
航空业是又一个对抗高温电子设备需求不断增长的行业。 目前的趋势是向“电子化程度更高的飞机”发展,用分布式控制系统代替传统的中心化引擎控制器。 这样可以让引擎控制更靠近引擎,从而极大简化互连布局,并减轻几百千克的飞机重量。 同时,用电源电子设备和电子控制代替液压系统也越来越常见,这是为了提升可靠性、降低维护成本。 理想情况下,这些控制电子设备必须离执行器很近。 所有这些开发都会产生很高的环境温度。 
 
在高温额定IC发明并成为现成可用的产品以前,电子设计工程师被迫使用高于额定值规格的元器件。 虽然某些标准温度IC在高于规格的时候也许能实现部分功能,但这是一种艰巨而充满风险的尝试,因为可靠性或性能得不到保证。 工程师必须确定可能选用的器件,充分测试并描述其温度性能,并验证其长期可靠性。 器件的性能和寿命经常会大幅递减,并且批次之间可能会有很大的不同。 这一过程充满挑战且昂贵耗时,工程师总是设法避免。 此外,随着设计温度向175°C及更高靠拢,哪怕为了在短期内具有可靠性也必须采用高级封装。 
 
虽然高温电子设备可用于数量庞大的不同应用中,但这些应用的信号链有一些共同的要求。 这些系统的主要部分要求对多个传感器进行精确的数据采集,或者具有高吞吐速率。 此外,很多这样的应用都有很严格的功率预算,因为它们采用电池供电,无法耐受电子元件的额外热量。 因此,需要采用由传感器、精密模拟元件和高吞吐速率ADC组成的低功耗数据采集信号链。 

 
虽然目前HT额定IC已经投入商用,电路构件块的选择依然很有限。 尤其是目前市场上暂时没有采样速率超过100kS/s且额定工作温度高于200°C的低功耗精密ADC。这是一个令电路设计人员头疼的问题,因为他们需要获取并处理更宽的带宽信号,或希望进行通道多路复用。 
 
为了满足这一需求,ADI去年推出了高温认证的ADC AD7981,该器件工作温度范围为−55到+175°C。器件的架构采用了ADI专利的电荷再分配容性DAC技术。 CMOS制造工艺在高温下具有出色的性能,这部分是因为温度范围内的电容匹配和跟踪。 此外,还对采集电路进行了优化,改善高温下的精度。 
 
AD7981的设计融入了另一项关键功能,该功能可随吞吐速率线性调节功率,从而最大程度延长电池寿命,且在600 kS/s时功耗典型值约为4.65mW,在10kS/s约为70µW。两次转换之间,AD7981可以自动关断,节省能耗。 这些特性使该器件尤为适合低采样速率(甚至几Hz)应用,并为电池供电型便携系统提供极低的功耗。 
 
但是,要造就一款高性能的高温硅片这还不够。 对于集成电路而言,要在高温环境下工作,鲁棒的封装绝对是至关重要。 封装必须提供针对环境的足够保护,能够可靠地连接PCB,同时尺寸适合系统所要执行的任务。 AD7981采用小尺寸10引脚MSOP封装,在极端温度下具有鲁棒的性能,包括单金属线焊,在最高额定温度下的认证工作时间长达1,000小时。高温下封装不可靠的最主要原因之一就是线焊。 线焊失效是业内塑料封装常见的问题,其标准是采用金属线焊和铝焊盘。 高温会加速AuAl金属间化合物的生长。 这些金属间化合物引起焊接失效,如易脆焊接和空洞等,这些故障最快可能在几百小时后就会发生。 


 
铝盘上的金球焊,+195°C下500小时后(左图);OPM盘上的金球焊,+195°C下6,000小时后(右图) 
 
为了避免焊接失效,需要采用跨焊盘金属化工艺,以便为金焊线创造金焊盘表面。 该单金属系统不会形成金属间化合物,经过195°C、6,000小时的浸泡式认证测试,已被证明非常可靠。 
 
显然,恶劣环境系统中最具挑战性的应用当属面临着极端高温的应用。 但配备了正确的元件和新的高温额定IC,设计工程师现在有能力采用即用型器件克服这个挑战——这些器件精度高、功耗低,且具备经过充分认证的可靠性。 

关键字:设计创新

编辑:冀凯 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2015/0918/article_26486.html
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