征服惡劣環(huán)境―面向極端高溫應用的低功耗、精密、高溫器件

簡(jiǎn)介

提到惡劣環(huán)境，世界上最具挑戰性的應用之一無(wú)疑是井下鉆探。油田服務(wù)公司正在挑戰技術(shù)極限，設計必須能承受極端壓力、沖擊和振動(dòng)的精密設備，同時(shí)該設備需要具有較長(cháng)的電池使用壽命且尺寸極小。但是，對于在此環(huán)境中使用的電子設備，最大挑戰也許是極端溫度。這里的高溫與深度成函數關(guān)系;而地熱梯度平均約為25°C/km，在某些地區，還可能更高。隨著(zhù)全球能源需求日益增大，推動(dòng)著(zhù)人們去鉆探和開(kāi)發(fā)這些過(guò)去一直無(wú)從下手的熱井。不幸的是，在這種環(huán)境中根本無(wú)法冷卻電子設備。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(shí)，較高的故障成本更是突顯了可靠性的重要。在地下數英里作業(yè)的鉆柱如果出現電子組件故障，需要一天以上的時(shí)間來(lái)檢修及更換，操作復雜深水海上鉆井平臺每天大約需要花費50多萬(wàn)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取代傳統集中式發(fā)動(dòng)機控制器，分布式控制系統將發(fā)動(dòng)機控制系統放置在離發(fā)動(dòng)機較近的地方，顯著(zhù)降低了互連的復雜性，使飛機的重量減輕了數百磅。此方案的另一方面是要用電力電子和電子控制系統取代液壓系統，以提升可靠性，減少維護成本。理想狀態(tài)下，控制電子設備必須離執行器很近，這也會(huì )產(chǎn)生較高的環(huán)境溫度。類(lèi)似于航空電子噴氣發(fā)動(dòng)機，用于發(fā)電的重工業(yè)燃氣渦輪機需要控制系統和儀器儀表。

高額定溫度的IC

過(guò)去，由于無(wú)法獲得高溫IC，高溫電子設備設計人員只能使用超出其額定規格的器件。盡管有些標準溫度IC可能具有超出規格的有限功能，但使用起來(lái)非常困難，并且十分危險，可靠性或性能毫無(wú)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(cháng)期可靠性。器件的性能和壽命經(jīng)常會(huì )大幅遞減，并在制造批次之間可能有巨大差異。這一過(guò)程充滿(mǎn)挑戰且昂貴耗時(shí)，設計人員都是唯恐避之不及。此外，目標設計溫度過(guò)渡到175°C，并且需要更先進(jìn)的封裝，即使只是為了在較短的持續時(shí)間保持可靠性。

幸運的是，近年來(lái)的發(fā)展使得能夠買(mǎi)到現成的高額定溫度IC。ADI公司高溫產(chǎn)品組合中的產(chǎn)品采用專(zhuān)門(mén)工藝技術(shù)、電路設計和封裝并經(jīng)過(guò)全面的特性、驗證和生產(chǎn)測試計劃測試，能夠保證以數據手冊規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備的一些不同的最終應用，從石油勘探到航空電子再到重工業(yè)領(lǐng)域，這些應用在信號鏈中存在幾個(gè)共同的要求。其中大多數系統需要從多個(gè)傳感器獲取精密數據或需要高吞吐速率。另外，其中許多應用具有嚴格的功耗預算，因為它們都是采用電池運行，或無(wú)法容忍因電子設備自熱而增加的額外溫度。因此，需要一個(gè)低功耗數據采集信號鏈，由傳感器、精密模擬元件和高吞吐速率ADC組成。

盡管現在可以購買(mǎi)到商用高額定溫度IC，如今的電路構建模塊選擇也仍然有限。特別是，沒(méi)有低功耗、采樣速率高于100 kSPS且額定工作溫度超過(guò)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用通道的電路設計人員，這是一個(gè)非常令人頭疼的問(wèn)題。為滿(mǎn)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600 kSPS，同時(shí)維持低功耗和極小的尺寸?，F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(jìn)一步詳細探討此ADC的特性，了解它如何在極端溫度下實(shí)現突破性能和可靠性。

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600 kSPS的逐次逼近型架構(SAR)。它基于A(yíng)DI成熟的SAR內核，該內核已在大量工業(yè)和儀器儀表系統中使用。該架構基于A(yíng)DI的專(zhuān)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(shí)現優(yōu)異性能，其部分原因就在于這些電容在整個(gè)溫度范圍內的匹配和跟蹤特性。此外，還對采集電路進(jìn)行了優(yōu)化，以提高高溫環(huán)境下的精度。

AD7981的典型應用信號鏈如圖1所示，其中軌到軌輸出、精密、低功耗、雙通道高溫認證放大器AD8634用于驅動(dòng)AD7981的輸入，并作為基準電壓緩沖器與低溫度漂移的高溫認證ADR225 2.5 V基準電壓源配合使用。AD7981需要兩個(gè)電源：一個(gè)模擬和數字內核電源(VDD)，以及一個(gè)與1.8 V和5 V之間的任何邏輯直接接口的數字輸入/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。

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的典型規格，因此即使在175°C的高溫下，也能實(shí)現高動(dòng)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的信納比(SINAD)性能如圖3所示。

AD7981通過(guò)使功耗和吞吐速率呈線(xiàn)性變化關(guān)系，在600 kSPS滿(mǎn)吞吐量時(shí)功耗典型值約為4 mW，10 kSPS時(shí)為70 μW，最大程度地延長(cháng)了惡劣環(huán)境中的電池使用壽命，如圖4所示。AD7981在轉換之間會(huì )自動(dòng)關(guān)斷，以便節省功耗。這使該器件特別適合于低采樣速率的應用(即使只有幾赫茲)，并使電池供電系統實(shí)現極低的功耗。

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

高溫封裝

擁有能夠在高溫下工作的高性能芯片時(shí)，我們只成功了一半?？煽糠庋b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(shí)尺寸適合系統的任務(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(gè)主要故障點(diǎn)是線(xiàn)焊。這種故障在行業(yè)中常見(jiàn)的塑料封裝中尤其成問(wèn)題，其中金色焊線(xiàn)和鋁焊盤(pán)是標準配置。高溫會(huì )加速金/鋁金屬間化合物的生長(cháng)。這些金屬間化合物與焊接故障相關(guān)聯(lián)，如脆性焊線(xiàn)和空洞，可能時(shí)刻都會(huì )發(fā)生，如圖5所示。為了避免這些故障，ADI使用焊盤(pán)金屬化(OPM)工藝形成金焊盤(pán)表面，以便連接焊線(xiàn)。此單金屬系統不會(huì )形成金屬間化合物，在我們的認證測試中已經(jīng)證明是可靠的，在195°C條件下預備超過(guò)6000小時(shí)，如圖6所示。盡管ADI在195°C展現出可靠的焊接性能，但是受限于模塑化合物的玻璃化轉變溫度，塑料封裝的額定工作溫度最高僅到175°C。

應用示例

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

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

如圖7所示。

在此應用中，對各種井下傳感器的信號進(jìn)行了采樣，以便收集周?chē)牡刭|(zhì)構造數據。這些傳感器可能采用電極、線(xiàn)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、旋轉速率、沖擊和振動(dòng)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據，同時(shí)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(gè)通道，如井下鉆探工具中常用的極窄電路板寬度。此外，靈活的數字接口則允許在要求更苛刻的應用中進(jìn)行同步采樣，同時(shí)還允許對低引腳計數的系統進(jìn)行簡(jiǎn)單的菊花鏈回讀。

小結

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