為寬溫度范圍的堅固應用設計嵌入式系統需要仔細關注細節并考慮許多方面。只有利用全面的設計方法，才能實現成功的實施。

對于許多嵌入式應用，特別是軍事運輸中的應用，或者系統必須在惡劣的室外環境中運行的應用，通常需要-40°C至+ 85°C的寬工作溫度范圍，這可能是一個具有挑戰性的要求。

為了實現如此堅固的系統規格，設計需要考慮許多特殊細節，從電路級別開始，還包括元件選擇，熱設計和PCB布局，以及設計驗證測試和生命周期管理，僅舉幾例?？梢钥闯觯趯崿F成功的系統之前，需要考慮許多因素。

組件很重要

主要組件的選擇是一個重要因素，所有有源組件（如處理器芯片、存儲器和穩壓器）都需要使用適當的工業溫度級部件，以確保在寬溫度范圍應用中的極端溫度下在規格范圍內運行。不太普遍考慮的是，所有無源元件也需要適當的規格，電阻器、電容器和晶體都需要仔細選擇。

例如，需要選擇電阻器，使其滿足整個溫度范圍內電阻值的容差要求，并且不超過其功率耗散。對于需要精確值但必須放置在其他熱元件附近的電阻器，這是一個特別重要的考慮因素。

電容器在嵌入式設計中大量使用，主要用于電源平滑和去耦有源元件。需要高值大容量電容器來平滑電源軌，而電解電容器通常用于通用設計，因為它們在較小的物理體積中提供高電容值。然而，寬溫度范圍的系統設計通常需要避免使用電解劑，因為這些類型的器件不是固態的，并且內部含有凝膠狀材料。當在極端溫度下操作時，這些材料可能會隨著時間的推移而改變性能，部分干燥，甚至在高溫下長時間使用而失效。

因此，固態陶瓷電容器是用于寬溫度范圍堅固應用的電容器的最佳選擇。電容器有許多陶瓷材料，對于這些應用，最好只使用NPO或X7R等具有低溫度系數的材料，這意味著電容器值在整個工作范圍內隨溫度的變化相對較小。標準材料如Y5V的變化可能高達-80%/+20%，而X7R的變化要低得多，只有±15%，而NP0實際上沒有顯著的變化，是一個非常小的±30 ppm/ C。

在電容器值是精心選擇的設計參數的任何電路中，穩定的電容值都尤為重要。這方面的例子包括穩壓器控制環路中的濾波電路以及時鐘和定時電路。雖然這些低溫度系數陶瓷器件比通用部件更昂貴，但系統運行一致性和可靠性的改進超過了增加的成本。

選擇低溫度系數元件也適用于時鐘電路晶體，例如，應將其指定為僅20 ppm變化。這確保了時鐘不會隨溫度而改變頻率，從而影響系統運行。否則，這可能會導致系統級的問題，這可能只發生在極端溫度下，在某些條件下，時鐘意外地偏離其標稱頻率太遠。

散熱設計是關鍵

為了減少堅固耐用的嵌入式系統中的內部熱源，最好在電源部分使用開關穩壓器，而不是線性或LDO型穩壓器。開關穩壓器的效率更高，典型值為90%，而LDO效率取決于壓降和電流，相比之下可能非常低。根據穩壓器兩端的壓降，50%的效率并不罕見。與LDO相比，開關穩壓器的效率更高，這意味著開關穩壓器產生的多余熱量要少得多。即使使用開關穩壓器，也應實施它，以便設計已調整為盡可能高效，以進一步減少任何多余的熱量。在 CPU 消耗最大功率時，在 10 安培的高功率負載條件下尤其如此。

需要設計一個寬溫度范圍的嵌入式堅固系統，以便考慮從所有發熱組件中散熱的各個方面。通常，處理器是主要的發熱部分，但芯片組和調節器部件也會產生大量的熱量。因此，處理器和芯片組應選擇盡可能低功耗，同時仍滿足應用處理要求，并驗證其在所需的溫度范圍內運行。從處理器封裝頂部的芯片背面散熱是設計的關鍵部分;CNC加工的鋁制散熱器是將熱量從電路板上取下并將其傳遞到外殼（外殼本身被設計為散熱器）的良好解決方案。散熱器還可用于接觸PCB上大多數其他主要發熱元件，例如電源部分的部件，將其熱量從電路板傳導到外殼的外部散熱器表面。風扇包含活動部件，因此容易磨損和最終失效。雖然風扇的氣流可以非常有效地去除組件的熱量，但無風扇設計是首選，因為它們具有更高的可靠性。無風扇系統可以通過考慮仔細的散熱設計來實現。

印刷電路板布局和設計

有效的PCB布局也是寬溫度范圍系統的一個關鍵方面。必須確保熱元件分布在PCB上以避免產生熱點，并且這些熱元件不會太靠近其他熱敏元件，如時鐘晶體。此外，PCB的金屬層可以在必要時進行設計，以便它們以受控的方式將熱量從PCB的一部分傳導到另一部分。簡而言之，PCB、散熱器和外殼需要設計為一個整體散熱系統。

選擇PCB材料時，它們具有較高的玻璃化轉變溫度（Tg）。這是電路板材料開始物理變形的溫度，在+ 85°C的最高環境工作溫度下，PCB的所有部件都設計為遠低于PCB本身在變形前可以處理的最高溫度。因此，仔細控制熱量的產生和熱流都是設計過程的一部分，它們不是事后才添加的。通過對PCB、散熱器/散熱器和外殼的精心設計，可以實現在工作范圍內所有溫度下運行非常可靠的最佳散熱解決方案。

設計驗證至關重要

一旦使用適當選擇的組件生成系統設計并完成散熱設計，下一步就是設計驗證。這是證明整個設計符合規范要求的關鍵步驟。使用了許多要求苛刻的測試，這些測試旨在以不同的方式對系統施加壓力，以暴露任何弱點。對于寬溫度范圍系統，進行長期測試，包括在-40°C和+85°C下擴展操作，以確保滿足基本規格。對于嵌入式系統，啟動測試尤為重要，可以在所有溫度（包括極端溫度）下執行大量操作。還使用熱沖擊測試，其中溫度從-40°C直接快速上升到+ 85°C，通常包括正常運行和溫度斜坡期間的多次啟動測試。這些測試中的任何故障都會得到充分調查，并在需要時糾正設計。

一旦設計驗證完成，在交付給客戶之前，可以在電路板和系統生產過程中進行進一步的測試。例如，在喬木技術，我們根據MIL-STD-781D任務401在生產板上進行振動應力篩選，以消除任何在使用壽命期間可能出現的裝配缺陷。圖1是這種寬溫度范圍電路板的一個例子：Arbor EasyBoard-841E具有特定的設計功能，適用于車輛外部環境等應用，并指定在-40°C至+85°C環境溫度下工作。

圖 1：阿伯易板-841E寬溫度范圍加固板

產品生命周期管理

對于寬溫度范圍和高可靠性應用，較長的產品生命周期是一個關鍵因素。為了在產品生命周期內始終控制和保持質量并滿足規格，制造商需要特別注意在此期間停產（EOL）的產品。符合 EOL 的組件只能替換為符合相同規格的兼容組件，然后需要重復設計驗證步驟。此外，替換組件通常需要是真正的插入式組件，即使具有相同的占地面積;否則，由于需要對PCB布局進行更改，熱環境可能會發生變化。因此，這種詳細的物料清單（BOM）控制水平需要擴展，以涵蓋設計中的所有組件，包括電容器和電阻器，以及更明顯的大型芯片。

設計方法的一致應用

要實現寬溫度范圍的嵌入式系統設計，需要在產品設計的各個階段仔細關注細節，從組件選擇到熱設計，通過驗證測試，甚至在整個產品生命周期內維護BOM。因此，設計成功是有條不紊地應用一致的集成設計方法的結果，該方法關注所有這些因素。

審核編輯：郭婷