征服惡劣環(huán)境—面向極端高溫應(yīng)用的低功耗、精密、高溫器件

 簡介

提到惡劣環(huán)境，世界上最具挑戰(zhàn)性的應(yīng)用之一無疑是井下鉆探。油田服務(wù)公司正在挑戰(zhàn)技術(shù)極限，設(shè)計必須能承受極端壓力、沖擊和振動的精密設(shè)備，同時該設(shè)備需要具有較長的電池使用壽命且尺寸極小。但是，對于在此環(huán)境中使用的電子設(shè)備，最大挑戰(zhàn)也許是極端溫度。這里的高溫與深度成函數(shù)關(guān)系;而地?zé)崽荻绕骄s為25°C/km，在某些地區(qū)，還可能更高。隨著全球能源需求日益增大，推動著人們?nèi)ャ@探和開發(fā)這些過去一直無從下手的熱井。不幸的是，在這種環(huán)境中根本無法冷卻電子設(shè)備。正因如此，行業(yè)需要必須能在200°C以上的環(huán)境中可靠工作的精密儀器。確實，較高的故障成本更是突顯了可靠性的重要。在地下數(shù)英里作業(yè)的鉆柱如果出現(xiàn)電子組件故障，需要一天以上的時間來檢修及更換，操作復(fù)雜深水海上鉆井平臺每天大約需要花費50多萬美元。

除了石油和天然氣勘探外，高溫電子器件還有其他的新興應(yīng)用。航空業(yè)正日益向“多電子飛機”的趨勢發(fā)展。這一方案一方面是為了用分布式控制系統(tǒng)取代傳統(tǒng)集中式發(fā)動機控制器，分布式控制系統(tǒng)將發(fā)動機控制系統(tǒng)放置在離發(fā)動機較近的地方，顯著降低了互連的復(fù)雜性，使飛機的重量減輕了數(shù)百磅。此方案的另一方面是要用電力電子和電子控制系統(tǒng)取代液壓系統(tǒng)，以提升可靠性，減少維護成本。理想狀態(tài)下，控制電子設(shè)備必須離執(zhí)行器很近，這也會產(chǎn)生較高的環(huán)境溫度。類似于航空電子噴氣發(fā)動機，用于發(fā)電的重工業(yè)燃?xì)鉁u輪機需要控制系統(tǒng)和儀器儀表。

高額定溫度的IC

過去，由于無法獲得高溫IC，高溫電子設(shè)備設(shè)計人員只能使用超出其額定規(guī)格的器件。盡管有些標(biāo)準(zhǔn)溫度IC可能具有超出規(guī)格的有限功能，但使用起來非常困難，并且十分危險，可靠性或性能毫無保障。例如，工程師必須確定可能選用的器件，充分測試并描述其溫度性能，并驗證其長期可靠性。器件的性能和壽命經(jīng)常會大幅遞減，并在制造批次之間可能有巨大差異。這一過程充滿挑戰(zhàn)且昂貴耗時，設(shè)計人員都是唯恐避之不及。此外，目標(biāo)設(shè)計溫度過渡到175°C，并且需要更先進的封裝，即使只是為了在較短的持續(xù)時間保持可靠性。

幸運的是，近年來的發(fā)展使得能夠買到現(xiàn)成的高額定溫度IC。ADI公司高溫產(chǎn)品組合中的產(chǎn)品采用專門工藝技術(shù)、電路設(shè)計和封裝并經(jīng)過全面的特性、驗證和生產(chǎn)測試計劃測試，能夠保證以數(shù)據(jù)手冊規(guī)格在高溫下可靠工作。

高溫信號鏈

盡管我們提到了高溫電子設(shè)備的一些不同的最終應(yīng)用，從石油勘探到航空電子再到重工業(yè)領(lǐng)域，這些應(yīng)用在信號鏈中存在幾個共同的要求。其中大多數(shù)系統(tǒng)需要從多個傳感器獲取精密數(shù)據(jù)或需要高吞吐速率。另外，其中許多應(yīng)用具有嚴(yán)格的功耗預(yù)算，因為它們都是采用電池運行，或無法容忍因電子設(shè)備自熱而增加的額外溫度。因此，需要一個低功耗數(shù)據(jù)采集信號鏈，由傳感器、精密模擬元件和高吞吐速率ADC組成。

盡管現(xiàn)在可以購買到商用高額定溫度IC，如今的電路構(gòu)建模塊選擇也仍然有限。特別是，沒有低功耗、采樣速率高于100 kSPS且額定工作溫度超過200°C的商用精密ADC。對于需要采集并處理較寬帶寬信號或想要多路復(fù)用通道的電路設(shè)計人員，這是一個非常令人頭疼的問題。為滿足這種需求，ADI最近發(fā)布了AD7981 ADC;在16位分辨率下，該器件的采樣速率可高達(dá)600 kSPS，同時維持低功耗和極小的尺寸?，F(xiàn)在提供額定溫度為175°C的10引腳MSOP封裝，以及額定溫度為210°C的陶瓷扁平封裝，裸片版本也即將推出。作為案例研究，我們將進一步詳細(xì)探討此ADC的特性，了解它如何在極端溫度下實現(xiàn)突破性能和可靠性。

AD7981高溫ADC

AD7981是一款16位、低功耗、單電源ADC，采用采樣速率高達(dá)600 kSPS的逐次逼近型架構(gòu)(SAR)。它基于ADI成熟的SAR內(nèi)核，該內(nèi)核已在大量工業(yè)和儀器儀表系統(tǒng)中使用。該架構(gòu)基于ADI的專有電荷再分配容性DAC技術(shù)。CMOS制造工藝之所以可在高溫下實現(xiàn)優(yōu)異性能，其部分原因就在于這些電容在整個溫度范圍內(nèi)的匹配和跟蹤特性。此外，還對采集電路進行了優(yōu)化，以提高高溫環(huán)境下的精度。

AD7981的典型應(yīng)用信號鏈如圖1所示，其中軌到軌輸出、精密、低功耗、雙通道高溫認(rèn)證放大器AD8634用于驅(qū)動AD7981的輸入，并作為基準(zhǔn)電壓緩沖器與低溫度漂移的高溫認(rèn)證ADR225 2.5 V基準(zhǔn)電壓源配合使用。AD7981需要兩個電源：一個模擬和數(shù)字內(nèi)核電源(VDD)，以及一個與1.8 V和5 V之間的任何邏輯直接接口的數(shù)字輸入/輸出接口電源(VIO)。VIO和VDD引腳可以連在一起，以減少所需的電源數(shù)。

AD7981提供出色的交流和直流性能并具有±0.7 LSB INL、−102 dB THD和91 dB SNR的典型規(guī)格，因此即使在175°C的高溫下，也能實現(xiàn)高動態(tài)范圍和更好的精度。AD7981的典型INL與 代碼的關(guān)系圖如圖2所示。

AD7981在不同溫度下寬輸入頻率范圍內(nèi)的信納比(SINAD)性能如圖3所示。

AD7981通過使功耗和吞吐速率呈線性變化關(guān)系，在600 kSPS滿吞吐量時功耗典型值約為4 mW，10 kSPS時為70 μW，最大程度地延長了惡劣環(huán)境中的電池使用壽命，如圖4所示。AD7981在轉(zhuǎn)換之間會自動關(guān)斷，以便節(jié)省功耗。這使該器件特別適合于低采樣速率的應(yīng)用(即使只有幾赫茲)，并使電池供電系統(tǒng)實現(xiàn)極低的功耗。

AD7981提供與SPI和其他數(shù)字主機兼容的靈活串行數(shù)字接口。它可以配置為具有最低I/O計數(shù)的簡單3線模式，或允許菊花鏈回讀和同步采樣選項的4線模式。對于多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，AD7981可以輕松與多路復(fù)用器配合使用，因為它集成了片內(nèi)采樣保持電路，并且SAR架構(gòu)不存在流水線延遲。

高溫封裝

擁有能夠在高溫下工作的高性能芯片時，我們只成功了一半。可靠封裝對于必須能承受惡劣高溫環(huán)境的集成電路至關(guān)重要。封裝必須能提供對環(huán)境的足夠保護和與PCB的可靠互連，同時尺寸適合系統(tǒng)的任務(wù)剖面。

盡管可靠封裝有許多考慮因素，高溫環(huán)境下其中一個主要故障點是線焊。這種故障在行業(yè)中常見的塑料封裝中尤其成問題，其中金色焊線和鋁焊盤是標(biāo)準(zhǔn)配置。高溫會加速金/鋁金屬間化合物的生長。這些金屬間化合物與焊接故障相關(guān)聯(lián)，如脆性焊線和空洞，可能時刻都會發(fā)生，如圖5所示。為了避免這些故障，ADI使用焊盤金屬化(OPM)工藝形成金焊盤表面，以便連接焊線。此單金屬系統(tǒng)不會形成金屬間化合物，在我們的認(rèn)證測試中已經(jīng)證明是可靠的，在195°C條件下預(yù)備超過6000小時，如圖6所示。盡管ADI在195°C展現(xiàn)出可靠的焊接性能，但是受限于模塑化合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，塑料封裝的額定工作溫度最高僅到175°C。

應(yīng)用示例

上述AD7981重要特性組合，如高性能、穩(wěn)定性、低功耗和靈活配置，符合惡劣高溫環(huán)境中精密測量應(yīng)用的重要性能標(biāo)準(zhǔn)，如地下石油和天然氣勘探以及工業(yè)、儀器和航空電子應(yīng)用。

AD7981屬于不斷增長的高溫產(chǎn)品組合，能夠?qū)崿F(xiàn)從傳感器到處理器的精密模擬信號處理。AD7981與ADR225 2.5 V基準(zhǔn)輸出電壓源和AD8634/AD8229放大器配套用于信號調(diào)理。高額定溫度的MEMS慣性傳感器，如ADXL206加速度計和ADXRS645陀螺儀，為設(shè)計人員提供有關(guān)系統(tǒng)方向和運動的信息。使用這些器件的井下鉆探儀器儀表的簡化信號鏈

如圖7所示。

在此應(yīng)用中，對各種井下傳感器的信號進行了采樣，以便收集周圍的地質(zhì)構(gòu)造數(shù)據(jù)。這些傳感器可能采用電極、線圈、壓電或其他傳感器的形式。加速度計、磁力計和陀螺儀提供有關(guān)鉆柱的傾斜、方位角、旋轉(zhuǎn)速率、沖擊和振動的信息。其中部分傳感器的帶寬極低，而其他傳感器可能具有音頻范圍及更高范圍的相關(guān)信息。AD7981能夠從具有不同帶寬要求的傳感器采樣數(shù)據(jù)，同時保持功效。小尺寸使其可以輕松地在空間受限的布局中容納多個通道，如井下鉆探工具中常用的極窄電路板寬度。此外，靈活的數(shù)字接口則允許在要求更苛刻的應(yīng)用中進行同步采樣，同時還允許對低引腳計數(shù)的系統(tǒng)進行簡單的菊花鏈回讀。

小結(jié)

總而言之，極端高溫成為惡劣環(huán)境系統(tǒng)中的最大挑戰(zhàn)之一。但是，新的高額定溫度IC(如AD7981)使設(shè)計人員能夠采用現(xiàn)成的高精度、低功耗且質(zhì)量可靠的器件，來克服這種挑戰(zhàn)。