应对军事挑战：为宽温度范围系统设计

为宽温度范围的坚固应用设计嵌入式系统需要仔细关注细节并考虑许多方面。只有利用全面的设计方法，才能实现成功的实施。

对于许多嵌入式应用，特别是军事运输中的应用，或者系统必须在恶劣的室外环境中运行的应用，通常需要-40°C至+ 85°C的宽工作温度范围，这可能是一个具有挑战性的要求。

为了实现如此坚固的系统规格，设计需要考虑许多特殊细节，从电路级别开始，还包括元件选择，热设计和PCB布局，以及设计验证测试和生命周期管理，仅举几例。可以看出，在实现成功的系统之前，需要考虑许多因素。

组件很重要

主要组件的选择是一个重要因素，所有有源组件（如处理器芯片、存储器和稳压器）都需要使用适当的工业温度级部件，以确保在宽温度范围应用中的极端温度下在规格范围内运行。不太普遍考虑的是，所有无源元件也需要适当的规格，电阻器、电容器和晶体都需要仔细选择。

例如，需要选择电阻器，使其满足整个温度范围内电阻值的容差要求，并且不超过其功率耗散。对于需要精确值但必须放置在其他热元件附近的电阻器，这是一个特别重要的考虑因素。

电容器在嵌入式设计中大量使用，主要用于电源平滑和去耦有源元件。需要高值大容量电容器来平滑电源轨，而电解电容器通常用于通用设计，因为它们在较小的物理体积中提供高电容值。然而，宽温度范围的系统设计通常需要避免使用电解剂，因为这些类型的器件不是固态的，并且内部含有凝胶状材料。当在极端温度下操作时，这些材料可能会随着时间的推移而改变性能，部分干燥，甚至在高温下长时间使用而失效。

因此，固态陶瓷电容器是用于宽温度范围坚固应用的电容器的最佳选择。电容器有许多陶瓷材料，对于这些应用，最好只使用NPO或X7R等具有低温度系数的材料，这意味着电容器值在整个工作范围内随温度的变化相对较小。标准材料如Y5V的变化可能高达-80%/+20%，而X7R的变化要低得多，只有±15%，而NP0实际上没有显着的变化，是一个非常小的±30 ppm/ C。

在电容器值是精心选择的设计参数的任何电路中，稳定的电容值都尤为重要。这方面的例子包括稳压器控制环路中的滤波电路以及时钟和定时电路。虽然这些低温度系数陶瓷器件比通用部件更昂贵，但系统运行一致性和可靠性的改进超过了增加的成本。

选择低温度系数元件也适用于时钟电路晶体，例如，应将其指定为仅20 ppm变化。这确保了时钟不会随温度而改变频率，从而影响系统运行。否则，这可能会导致系统级的问题，这可能只发生在极端温度下，在某些条件下，时钟意外地偏离其标称频率太远。

散热设计是关键

为了减少坚固耐用的嵌入式系统中的内部热源，最好在电源部分使用开关稳压器，而不是线性或LDO型稳压器。开关稳压器的效率更高，典型值为90%，而LDO效率取决于压降和电流，相比之下可能非常低。根据稳压器两端的压降，50%的效率并不罕见。与LDO相比，开关稳压器的效率更高，这意味着开关稳压器产生的多余热量要少得多。即使使用开关稳压器，也应实施它，以便设计已调整为尽可能高效，以进一步减少任何多余的热量。在 CPU 消耗最大功率时，在 10 安培的高功率负载条件下尤其如此。

需要设计一个宽温度范围的嵌入式坚固系统，以便考虑从所有发热组件中散热的各个方面。通常，处理器是主要的发热部分，但芯片组和调节器部件也会产生大量的热量。因此，处理器和芯片组应选择尽可能低功耗，同时仍满足应用处理要求，并验证其在所需的温度范围内运行。从处理器封装顶部的芯片背面散热是设计的关键部分;CNC加工的铝制散热器是将热量从电路板上取下并将其传递到外壳（外壳本身被设计为散热器）的良好解决方案。散热器还可用于接触PCB上大多数其他主要发热元件，例如电源部分的部件，将其热量从电路板传导到外壳的外部散热器表面。风扇包含活动部件，因此容易磨损和最终失效。虽然风扇的气流可以非常有效地去除组件的热量，但无风扇设计是首选，因为它们具有更高的可靠性。无风扇系统可以通过考虑仔细的散热设计来实现。

印刷电路板布局和设计

有效的PCB布局也是宽温度范围系统的一个关键方面。必须确保热元件分布在PCB上以避免产生热点，并且这些热元件不会太靠近其他热敏元件，如时钟晶体。此外，PCB的金属层可以在必要时进行设计，以便它们以受控的方式将热量从PCB的一部分传导到另一部分。简而言之，PCB、散热器和外壳需要设计为一个整体散热系统。

选择PCB材料时，它们具有较高的玻璃化转变温度（Tg）。这是电路板材料开始物理变形的温度，在+ 85°C的最高环境工作温度下，PCB的所有部件都设计为远低于PCB本身在变形前可以处理的最高温度。因此，仔细控制热量的产生和热流都是设计过程的一部分，它们不是事后才添加的。通过对PCB、散热器/散热器和外壳的精心设计，可以实现在工作范围内所有温度下运行非常可靠的最佳散热解决方案。

设计验证至关重要

一旦使用适当选择的组件生成系统设计并完成散热设计，下一步就是设计验证。这是证明整个设计符合规范要求的关键步骤。使用了许多要求苛刻的测试，这些测试旨在以不同的方式对系统施加压力，以暴露任何弱点。对于宽温度范围系统，进行长期测试，包括在-40°C和+85°C下扩展操作，以确保满足基本规格。对于嵌入式系统，启动测试尤为重要，可以在所有温度（包括极端温度）下执行大量操作。还使用热冲击测试，其中温度从-40°C直接快速上升到+ 85°C，通常包括正常运行和温度斜坡期间的多次启动测试。这些测试中的任何故障都会得到充分调查，并在需要时纠正设计。

一旦设计验证完成，在交付给客户之前，可以在电路板和系统生产过程中进行进一步的测试。例如，在乔木技术，我们根据MIL-STD-781D任务401在生产板上进行振动应力筛选，以消除任何在使用寿命期间可能出现的装配缺陷。图1是这种宽温度范围电路板的一个例子：Arbor EasyBoard-841E具有特定的设计功能，适用于车辆外部环境等应用，并指定在-40°C至+85°C环境温度下工作。

图 1：阿伯易板-841E宽温度范围加固板

产品生命周期管理

对于宽温度范围和高可靠性应用，较长的产品生命周期是一个关键因素。为了在产品生命周期内始终控制和保持质量并满足规格，制造商需要特别注意在此期间停产（EOL）的产品。符合 EOL 的组件只能替换为符合相同规格的兼容组件，然后需要重复设计验证步骤。此外，替换组件通常需要是真正的插入式组件，即使具有相同的占地面积;否则，由于需要对PCB布局进行更改，热环境可能会发生变化。因此，这种详细的物料清单（BOM）控制水平需要扩展，以涵盖设计中的所有组件，包括电容器和电阻器，以及更明显的大型芯片。

设计方法的一致应用

要实现宽温度范围的嵌入式系统设计，需要在产品设计的各个阶段仔细关注细节，从组件选择到热设计，通过验证测试，甚至在整个产品生命周期内维护BOM。因此，设计成功是有条不紊地应用一致的集成设计方法的结果，该方法关注所有这些因素。

审核编辑：郭婷