在高温度下运行应用中如何选择MCU

电子控制是从汽车到工业，军事和航空航天等领域的入侵机械系统。转向机电系统意味着微控制器（MCU），电子系统的主力，必须在极其困难的环境中服务。对领先供应商提供的精选高温和高温MCU产品的研究将说明嵌入式系统开发人员可用的设计选项。此外，本文将讨论高温操作和汽车认证的单独但相互交织的问题。

首先，我们应该定义什么符合扩展和高温的条件，并预先警告行业中几乎没有一致性。许多IC供应商使用术语“高温”来描述在高达125°C的环境温度下工作的产品。其他公司称之为“延长温度”，保留150°C的“高温”标志。

通常，在0°C至70°C或85°C范围内运行的产品被视为消费级。工作温度范围为-40°C至85°C的产品被视为工业级产品。如上所述，真正的混淆来自更高的温度。为清楚起见，这里我们将指定部件工作的温度。高于85°C的典型水平是105°，125°和150°C，尽管有其他值发挥作用的情况。

IC制造商可能会使用术语“汽车级”来描述产品。这可能会也可能不会意味着高温能力。当然，发动机舱中的汽车应用需要具有高温耐受性的电子设备。但是，汽车级或汽车级的IC通常是经过AEC-Q100标准测试的IC。

AEC-Q100认证

汽车电子委员会（AEC）最初由克莱斯勒，福特和通用汽车公司创建，旨在建立零件认证和一般系统级质量的通用标准。 AEC-Q100标准，或更精确的标准集，定义了IC的压力限定。

AEC-Q100资格证书包括一些仅适用于特定类型IC的项目。例如，Q100-005特别关注非易失性存储器在写入/擦除周期方面的耐久性。显然，该文档适用于基于闪存的MCU，但不适用于其他IC太多。其他Q100文件广泛适用于诸如线焊的Q100-001剪切测试。其他具体文件涉及对静电放电，焊球剪切和许多其他潜在失效模式的耐受性。

仍然，IC制造商可以在较低温度范围内对AEC-Q100进行测试，同时提供不符合AEC-Q100标准的高温元件。让我们考虑德州仪器（TI）和该公司广泛使用的16位MSP430 MCU系列，该系列针对低功耗应用。

图1描述了该系列MSP430F20x分支中的典型产品。如您所见，MCU集成了一个典型的外设集，包括一个8通道，10位A/D转换器。 CPU工作频率为16 MHz。

图1：德州仪器（TI）的16位MSP430 MCU系列可指定应用温度达到150°C

汽车驾驶室应用

TI提供MSP430F20x MCU，其工作温度最高可达85°C或105°C。然而，TI最近宣布，它正在为AEC提供相当长的MSP430F2x和MSP430G2x MCU。 Q100。尽管如此，该认证仅限于AEC-Q100中标识为等级2的105°C温度水平。这意味着您将无法在发动机舱中找到MCU。但MCU将用于机舱应用，从照明控制到HVAC控制，再到遥控无钥匙进入系统。

同时，TI支持同一系列中某些MCU的高温操作。例如，MSP430F249MPMEP的工作温度为125°C。 MSP430F2619SPM可在150°C的温度下工作。但就目前而言，这些高温部件不符合AEC-Q100标准。

在我们继续讨论AEC-Q100的主题之前，您可能会发现，即使您不在汽车领域工作，指定合格的零件也是一种很好的方法，但您的应用需要高可靠性和耐受性环境。例如，合格的组件可以容忍振动。此外，其他行业开始依赖以汽车为中心的标准，而不是从头开发自己的要求。我们还将通过本文的其余部分继续讨论汽车应用，因为它可以作为说明高温问题的完美画布。

回到TI，该公司还有另外两个MCU系列，可提供高温支持。 TMS570 MCU系列的额定工作温度为125°C，专门针对汽车和运输应用，其中安全性也是一个关键问题。实际上，TMS570集成了基于ARM Cortex-R4F架构的双核（图2）。这些内核可以在所谓的“锁步模式”下运行，其中两个内核并行执行相同的操作，并且实时比较结果以检测任何故障。对于要求高温和关键任务安全性的任何应用，MCU都是不错的选择。

图2：德州仪器的TMS570 MCU系列提供扩展功能 - 温度操作和冗余核心，确保在任务关键型应用程序中安全运行。

还有广泛的工业应用需要扩展温度支持。例子包括电机控制和工业驱动控制。 TI针对这些应用采用TMS320F282x定点MCU和TMS320F280x Piccolo MCU，两者的额定温度均为125°C。这些产品是公司面向DSP的产品线的一部分，有时也称为数字信号控制器（DSC）。

确定您的温度需求

在这一点上，可以问为什么您需要超过125°C。答案很复杂。

Microchip Technology垂直市场副总裁Dan Termer使用他公司所在的亚利桑那州沙漠来解释为什么150°C的支持很重要。特梅尔描述了夏季驾驶自动驾驶当地南山的情景。在汽车运行时，通常有冷却系统来控制最高环境温度。即使安装在燃油泵或油泵中或排气歧管上的MCU在汽车运行时也不会升至125°C以上。

但是考虑一下当你停放并杀死引擎时会发生什么。在冷却系统关闭的情况下，发动机舱内的温度将升高至高于正常运行条件的水平。当发动机首次重新启动时，MCU可能在远高于典型值的环境中运行，直到冷却系统稳定温度。

Termer表示，客户需求促使Microchip在相当广泛的产品系列上支持150°C的运行。实际上，库存中有8位PIC12和PIC16 MCU可供选择，额定温度为150°C，在该温度下符合AEC-Q100标准 - 称为0级认证。图3描述了PIC12F615 MCU，它将大量功能集封装到8引脚封装中，包括1.75 KB闪存，多个定时器和一个四通道，10位A/D转换器。

图3：Microchip在许多MCU中提供150°C支持和AEC-Q100 0级认证，包括此处描述的PIC12F615。

Microchip的8位和16位产品系列可提供更广泛的150°C产品系列。还有16位PIC24 MCU和dsPIC33 DSC现货供应，额定温度为140°C。在125°C级，该公司提供8位PIC10，PIC12，PIC16和PIC18 MCU，16位PIC24 MCU以及16位dsPIC30和dsPIC33 DSC。在32位领域，该公司最近宣布推出额定温度为105°C的PIC32 MCU。

鉴定150°C MCU

返回光谱的高温端。根据Microchip的Termer，开发150°C支持是一个复杂的过程。他说，虽然客户要求提供此类零件，但“我们没有这些数据。”他还表示，该公司必须首先经历漫长的表征过程。

支持150°C要求对制造过程进行鉴定，特别是要求高温额定值的IC。 Termer表示，Microchip通过流程认证来运行测试结构，但很快就会在流程中运行真正的MCU。

对于低温复杂IC不存在的MCU的高温操作存在许多关键问题。 Termer表示，闪存中准确的数据保留是高温下特别困难的问题。同样，在高温下支持大量闪存写入/擦除周期更加困难。这两个区域中的任何一个故障都会导致绝对系统故障。

还有一些问题是让一些模拟外设功能在高温下正常工作。例如，集成振荡器易受温度影响。并且A/D转换器也很容易受到影响。然而，在模拟区域中，故障模式比完全故障更可能丧失保真度。必须优化芯片设计和工艺认证元件，以实现可靠的高温操作。

确实，重要的是要确保在评估扩展或高温MCU时，您需要考虑特定于较高温度部件的数据表。在某些情况下，MCU制造商会在更高的温度下降低某些规格。如果您使用的是低温规格表，那么在温度测试设计时可能会出现令人不快的意外情况。

应用和温度

现在让我们考虑可能需要MCU在我们讨论过的温度范围内工作的应用类型。 Microchip产品营销经理Bill Hutchings表示，105°C MCU正在被广泛应用于可再生能源领域。例如，太阳能系统的功率逆变器和控制系统显示器必须在阳光直射下长时间运行。

TI的C2000营销经理Sangmin Chon将工业空间视为125°C产品的主要目标。具体应用包括功率转换，大数据中心应用中也可能需要这样的温度。 Chon还看到125°C MCU服务于汽车市场的一大部分，其中125°C级，符合AEC-Q100标准的产品被称为1级。

150°C MCU的市场领域是公认的尽管汽车作为主要消费者，但市场规模仍然很大。但还有其他150°C的应用。 Microchip的Termer确定了石油和天然气行业的各种钻井应用。他说，通常在钻头上安装一个MCU来捕获和预处理随后发送到地面的数据。

MCU可用性

额定125°C和150°C的可用MCU系列可能比您想象的更广泛。因此，如果您对温度是否可能成为设计中的问题有疑问，请不要犹豫，指定高温MCU;虽然这些产品的成本更高，但它们比您可能首先猜测的更便宜。例如，Atmel在其ATtiny和ATmega系列中提供150°C的MCU（图4）。这些产品基于8位AVR处理器架构。最高时钟速度为16 MHz。您可以选择闪存范围为2到64 KB的产品。图4包含ATmega MCU的框图。

图4：在8位ATmega和ATtiny MCU系列中，Atmel支持150°C操作和一个AVR CPU核心。

总结

在搜索可以在更高温度下运行的MCU时，您可能面临的一个挑战是通常不一致的方式，其中该功能在部件号中表示。进入IC供应商的网站并搜索扩展或高温MCU通常并不简单，产品编号不一致也无济于事。

由于多个制造商以相对实惠的价格提供高温MCU，即使在最恶劣的环境中，电子控制仍将继续遍及机械系统。由于IC的复杂性，MCU是这个等式中最难的部分，MCU制造商正在为行业解决这个问题。只需确保准确辨别产品的最高运行温度即可。不要忘记，在某些应用中，例如我们的沙漠汽车示例，当您的系统断电时，可能会出现温度升高的问题。但您很可能会发现您已熟悉的MCU架构可以满足您的高温要求。