電子控制是從汽車到工業(yè)，軍事和航空航天等領(lǐng)域的入侵機(jī)械系統(tǒng)。轉(zhuǎn)向機(jī)電系統(tǒng)意味著微控制器（MCU），電子系統(tǒng)的主力，必須在極其困難的環(huán)境中服務(wù)。對(duì)領(lǐng)先供應(yīng)商提供的精選高溫和高溫MCU產(chǎn)品的研究將說(shuō)明嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員可用的設(shè)計(jì)選項(xiàng)。此外，本文將討論高溫操作和汽車認(rèn)證的單獨(dú)但相互交織的問題。

首先，我們應(yīng)該定義什么符合擴(kuò)展和高溫的條件，并預(yù)先警告行業(yè)中幾乎沒有一致性。許多IC供應(yīng)商使用術(shù)語(yǔ)“高溫”來(lái)描述在高達(dá)125°C的環(huán)境溫度下工作的產(chǎn)品。其他公司稱之為“延長(zhǎng)溫度”，保留150°C的“高溫”標(biāo)志。

通常，在0°C至70°C或85°C范圍內(nèi)運(yùn)行的產(chǎn)品被視為消費(fèi)級(jí)。工作溫度范圍為-40°C至85°C的產(chǎn)品被視為工業(yè)級(jí)產(chǎn)品。如上所述，真正的混淆來(lái)自更高的溫度。為清楚起見，這里我們將指定部件工作的溫度。高于85°C的典型水平是105°，125°和150°C，盡管有其他值發(fā)揮作用的情況。

IC制造商可能會(huì)使用術(shù)語(yǔ)“汽車級(jí)”來(lái)描述產(chǎn)品。這可能會(huì)也可能不會(huì)意味著高溫能力。當(dāng)然，發(fā)動(dòng)機(jī)艙中的汽車應(yīng)用需要具有高溫耐受性的電子設(shè)備。但是，汽車級(jí)或汽車級(jí)的IC通常是經(jīng)過(guò)AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試的IC。

AEC-Q100認(rèn)證

汽車電子委員會(huì)（AEC）最初由克萊斯勒，福特和通用汽車公司創(chuàng)建，旨在建立零件認(rèn)證和一般系統(tǒng)級(jí)質(zhì)量的通用標(biāo)準(zhǔn)。 AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)，或更精確的標(biāo)準(zhǔn)集，定義了IC的壓力限定。

AEC-Q100資格證書包括一些僅適用于特定類型IC的項(xiàng)目。例如，Q100-005特別關(guān)注非易失性存儲(chǔ)器在寫入/擦除周期方面的耐久性。顯然，該文檔適用于基于閃存的MCU，但不適用于其他IC太多。其他Q100文件廣泛適用于諸如線焊的Q100-001剪切測(cè)試。其他具體文件涉及對(duì)靜電放電，焊球剪切和許多其他潛在失效模式的耐受性。

仍然，IC制造商可以在較低溫度范圍內(nèi)對(duì)AEC-Q100進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)提供不符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)的高溫元件。讓我們考慮德州儀器（TI）和該公司廣泛使用的16位MSP430 MCU系列，該系列針對(duì)低功耗應(yīng)用。

圖1描述了該系列MSP430F20x分支中的典型產(chǎn)品。如您所見，MCU集成了一個(gè)典型的外設(shè)集，包括一個(gè)8通道，10位A/D轉(zhuǎn)換器。 CPU工作頻率為16 MHz。

圖1：德州儀器（TI）的16位MSP430 MCU系列可指定應(yīng)用溫度達(dá)到150°C

汽車駕駛室應(yīng)用

TI提供MSP430F20x MCU，其工作溫度最高可達(dá)85°C或105°C。然而，TI最近宣布，它正在為AEC提供相當(dāng)長(zhǎng)的MSP430F2x和MSP430G2x MCU。 Q100。盡管如此，該認(rèn)證僅限于AEC-Q100中標(biāo)識(shí)為等級(jí)2的105°C溫度水平。這意味著您將無(wú)法在發(fā)動(dòng)機(jī)艙中找到MCU。但MCU將用于機(jī)艙應(yīng)用，從照明控制到HVAC控制，再到遙控?zé)o鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)。

同時(shí)，TI支持同一系列中某些MCU的高溫操作。例如，MSP430F249MPMEP的工作溫度為125°C。 MSP430F2619SPM可在150°C的溫度下工作。但就目前而言，這些高溫部件不符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)。

在我們繼續(xù)討論AEC-Q100的主題之前，您可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，即使您不在汽車領(lǐng)域工作，指定合格的零件也是一種很好的方法，但您的應(yīng)用需要高可靠性和耐受性環(huán)境。例如，合格的組件可以容忍振動(dòng)。此外，其他行業(yè)開始依賴以汽車為中心的標(biāo)準(zhǔn)，而不是從頭開發(fā)自己的要求。我們還將通過(guò)本文的其余部分繼續(xù)討論汽車應(yīng)用，因?yàn)樗梢宰鳛檎f(shuō)明高溫問題的完美畫布。

回到TI，該公司還有另外兩個(gè)MCU系列，可提供高溫支持。 TMS570 MCU系列的額定工作溫度為125°C，專門針對(duì)汽車和運(yùn)輸應(yīng)用，其中安全性也是一個(gè)關(guān)鍵問題。實(shí)際上，TMS570集成了基于ARM Cortex-R4F架構(gòu)的雙核（圖2）。這些內(nèi)核可以在所謂的“鎖步模式”下運(yùn)行，其中兩個(gè)內(nèi)核并行執(zhí)行相同的操作，并且實(shí)時(shí)比較結(jié)果以檢測(cè)任何故障。對(duì)于要求高溫和關(guān)鍵任務(wù)安全性的任何應(yīng)用，MCU都是不錯(cuò)的選擇。

圖2：德州儀器的TMS570 MCU系列提供擴(kuò)展功能 - 溫度操作和冗余核心，確保在任務(wù)關(guān)鍵型應(yīng)用程序中安全運(yùn)行。

還有廣泛的工業(yè)應(yīng)用需要擴(kuò)展溫度支持。例子包括電機(jī)控制和工業(yè)驅(qū)動(dòng)控制。 TI針對(duì)這些應(yīng)用采用TMS320F282x定點(diǎn)MCU和TMS320F280x Piccolo MCU，兩者的額定溫度均為125°C。這些產(chǎn)品是公司面向DSP的產(chǎn)品線的一部分，有時(shí)也稱為數(shù)字信號(hào)控制器（DSC）。

確定您的溫度需求

在這一點(diǎn)上，可以問為什么您需要超過(guò)125°C。答案很復(fù)雜。

Microchip Technology垂直市場(chǎng)副總裁Dan Termer使用他公司所在的亞利桑那州沙漠來(lái)解釋為什么150°C的支持很重要。特梅爾描述了夏季駕駛自動(dòng)駕駛當(dāng)?shù)啬仙降那榫啊Ｔ谄囘\(yùn)行時(shí)，通常有冷卻系統(tǒng)來(lái)控制最高環(huán)境溫度。即使安裝在燃油泵或油泵中或排氣歧管上的MCU在汽車運(yùn)行時(shí)也不會(huì)升至125°C以上。

但是考慮一下當(dāng)你停放并殺死引擎時(shí)會(huì)發(fā)生什么。在冷卻系統(tǒng)關(guān)閉的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的溫度將升高至高于正常運(yùn)行條件的水平。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)首次重新啟動(dòng)時(shí)，MCU可能在遠(yuǎn)高于典型值的環(huán)境中運(yùn)行，直到冷卻系統(tǒng)穩(wěn)定溫度。

Termer表示，客戶需求促使Microchip在相當(dāng)廣泛的產(chǎn)品系列上支持150°C的運(yùn)行。實(shí)際上，庫(kù)存中有8位PIC12和PIC16 MCU可供選擇，額定溫度為150°C，在該溫度下符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn) - 稱為0級(jí)認(rèn)證。圖3描述了PIC12F615 MCU，它將大量功能集封裝到8引腳封裝中，包括1.75 KB閃存，多個(gè)定時(shí)器和一個(gè)四通道，10位A/D轉(zhuǎn)換器。

圖3：Microchip在許多MCU中提供150°C支持和AEC-Q100 0級(jí)認(rèn)證，包括此處描述的PIC12F615。

Microchip的8位和16位產(chǎn)品系列可提供更廣泛的150°C產(chǎn)品系列。還有16位PIC24 MCU和dsPIC33 DSC現(xiàn)貨供應(yīng)，額定溫度為140°C。在125°C級(jí)，該公司提供8位PIC10，PIC12，PIC16和PIC18 MCU，16位PIC24 MCU以及16位dsPIC30和dsPIC33 DSC。在32位領(lǐng)域，該公司最近宣布推出額定溫度為105°C的PIC32 MCU。

鑒定150°C MCU

返回光譜的高溫端。根據(jù)Microchip的Termer，開發(fā)150°C支持是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。他說(shuō)，雖然客戶要求提供此類零件，但“我們沒有這些數(shù)據(jù)。”他還表示，該公司必須首先經(jīng)歷漫長(zhǎng)的表征過(guò)程。

支持150°C要求對(duì)制造過(guò)程進(jìn)行鑒定，特別是要求高溫額定值的IC。 Termer表示，Microchip通過(guò)流程認(rèn)證來(lái)運(yùn)行測(cè)試結(jié)構(gòu)，但很快就會(huì)在流程中運(yùn)行真正的MCU。

對(duì)于低溫復(fù)雜IC不存在的MCU的高溫操作存在許多關(guān)鍵問題。 Termer表示，閃存中準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)保留是高溫下特別困難的問題。同樣，在高溫下支持大量閃存寫入/擦除周期更加困難。這兩個(gè)區(qū)域中的任何一個(gè)故障都會(huì)導(dǎo)致絕對(duì)系統(tǒng)故障。

還有一些問題是讓一些模擬外設(shè)功能在高溫下正常工作。例如，集成振蕩器易受溫度影響。并且A/D轉(zhuǎn)換器也很容易受到影響。然而，在模擬區(qū)域中，故障模式比完全故障更可能喪失保真度。必須優(yōu)化芯片設(shè)計(jì)和工藝認(rèn)證元件，以實(shí)現(xiàn)可靠的高溫操作。

確實(shí)，重要的是要確保在評(píng)估擴(kuò)展或高溫MCU時(shí)，您需要考慮特定于較高溫度部件的數(shù)據(jù)表。在某些情況下，MCU制造商會(huì)在更高的溫度下降低某些規(guī)格。如果您使用的是低溫規(guī)格表，那么在溫度測(cè)試設(shè)計(jì)時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)令人不快的意外情況。

應(yīng)用和溫度

現(xiàn)在讓我們考慮可能需要MCU在我們討論過(guò)的溫度范圍內(nèi)工作的應(yīng)用類型。 Microchip產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理Bill Hutchings表示，105°C MCU正在被廣泛應(yīng)用于可再生能源領(lǐng)域。例如，太陽(yáng)能系統(tǒng)的功率逆變器和控制系統(tǒng)顯示器必須在陽(yáng)光直射下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。

TI的C2000營(yíng)銷經(jīng)理Sangmin Chon將工業(yè)空間視為125°C產(chǎn)品的主要目標(biāo)。具體應(yīng)用包括功率轉(zhuǎn)換，大數(shù)據(jù)中心應(yīng)用中也可能需要這樣的溫度。 Chon還看到125°C MCU服務(wù)于汽車市場(chǎng)的一大部分，其中125°C級(jí)，符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品被稱為1級(jí)。

150°C MCU的市場(chǎng)領(lǐng)域是公認(rèn)的盡管汽車作為主要消費(fèi)者，但市場(chǎng)規(guī)模仍然很大。但還有其他150°C的應(yīng)用。 Microchip的Termer確定了石油和天然氣行業(yè)的各種鉆井應(yīng)用。他說(shuō)，通常在鉆頭上安裝一個(gè)MCU來(lái)捕獲和預(yù)處理隨后發(fā)送到地面的數(shù)據(jù)。

MCU可用性

額定125°C和150°C的可用MCU系列可能比您想象的更廣泛。因此，如果您對(duì)溫度是否可能成為設(shè)計(jì)中的問題有疑問，請(qǐng)不要猶豫，指定高溫MCU;雖然這些產(chǎn)品的成本更高，但它們比您可能首先猜測(cè)的更便宜。例如，Atmel在其ATtiny和ATmega系列中提供150°C的MCU（圖4）。這些產(chǎn)品基于8位AVR處理器架構(gòu)。最高時(shí)鐘速度為16 MHz。您可以選擇閃存范圍為2到64 KB的產(chǎn)品。圖4包含ATmega MCU的框圖。

圖4：在8位ATmega和ATtiny MCU系列中，Atmel支持150°C操作和一個(gè)AVR CPU核心。

總結(jié)

在搜索可以在更高溫度下運(yùn)行的MCU時(shí)，您可能面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)是通常不一致的方式，其中該功能在部件號(hào)中表示。進(jìn)入IC供應(yīng)商的網(wǎng)站并搜索擴(kuò)展或高溫MCU通常并不簡(jiǎn)單，產(chǎn)品編號(hào)不一致也無(wú)濟(jì)于事。

由于多個(gè)制造商以相對(duì)實(shí)惠的價(jià)格提供高溫MCU，即使在最惡劣的環(huán)境中，電子控制仍將繼續(xù)遍及機(jī)械系統(tǒng)。由于IC的復(fù)雜性，MCU是這個(gè)等式中最難的部分，MCU制造商正在為行業(yè)解決這個(gè)問題。只需確保準(zhǔn)確辨別產(chǎn)品的最高運(yùn)行溫度即可。不要忘記，在某些應(yīng)用中，例如我們的沙漠汽車示例，當(dāng)您的系統(tǒng)斷電時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)溫度升高的問題。但您很可能會(huì)發(fā)現(xiàn)您已熟悉的MCU架構(gòu)可以滿足您的高溫要求。