電子控制是從汽車到工業(yè)，軍事和航空航天等領域的入侵機械系統(tǒng)。轉向機電系統(tǒng)意味著微控制器（MCU），電子系統(tǒng)的主力，必須在極其困難的環(huán)境中服務。對領先供應商提供的精選高溫和高溫MCU產品的研究將說明嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員可用的設計選項。此外，本文將討論高溫操作和汽車認證的單獨但相互交織的問題。

首先，我們應該定義什么符合擴展和高溫的條件，并預先警告行業(yè)中幾乎沒有一致性。許多IC供應商使用術語“高溫”來描述在高達125°C的環(huán)境溫度下工作的產品。其他公司稱之為“延長溫度”，保留150°C的“高溫”標志。

通常，在0°C至70°C或85°C范圍內運行的產品被視為消費級。工作溫度范圍為-40°C至85°C的產品被視為工業(yè)級產品。如上所述，真正的混淆來自更高的溫度。為清楚起見，這里我們將指定部件工作的溫度。高于85°C的典型水平是105°，125°和150°C，盡管有其他值發(fā)揮作用的情況。

IC制造商可能會使用術語“汽車級”來描述產品。這可能會也可能不會意味著高溫能力。當然，發(fā)動機艙中的汽車應用需要具有高溫耐受性的電子設備。但是，汽車級或汽車級的IC通常是經過AEC-Q100標準測試的IC。

AEC-Q100認證

汽車電子委員會（AEC）最初由克萊斯勒，福特和通用汽車公司創(chuàng)建，旨在建立零件認證和一般系統(tǒng)級質量的通用標準。 AEC-Q100標準，或更精確的標準集，定義了IC的壓力限定。

AEC-Q100資格證書包括一些僅適用于特定類型IC的項目。例如，Q100-005特別關注非易失性存儲器在寫入/擦除周期方面的耐久性。顯然，該文檔適用于基于閃存的MCU，但不適用于其他IC太多。其他Q100文件廣泛適用于諸如線焊的Q100-001剪切測試。其他具體文件涉及對靜電放電，焊球剪切和許多其他潛在失效模式的耐受性。

仍然，IC制造商可以在較低溫度范圍內對AEC-Q100進行測試，同時提供不符合AEC-Q100標準的高溫元件。讓我們考慮德州儀器（TI）和該公司廣泛使用的16位MSP430 MCU系列，該系列針對低功耗應用。

圖1描述了該系列MSP430F20x分支中的典型產品。如您所見，MCU集成了一個典型的外設集，包括一個8通道，10位A/D轉換器。 CPU工作頻率為16 MHz。

圖1：德州儀器（TI）的16位MSP430 MCU系列可指定應用溫度達到150°C

汽車駕駛室應用

TI提供MSP430F20x MCU，其工作溫度最高可達85°C或105°C。然而，TI最近宣布，它正在為AEC提供相當長的MSP430F2x和MSP430G2x MCU。 Q100。盡管如此，該認證僅限于AEC-Q100中標識為等級2的105°C溫度水平。這意味著您將無法在發(fā)動機艙中找到MCU。但MCU將用于機艙應用，從照明控制到HVAC控制，再到遙控無鑰匙進入系統(tǒng)。

同時，TI支持同一系列中某些MCU的高溫操作。例如，MSP430F249MPMEP的工作溫度為125°C。 MSP430F2619SPM可在150°C的溫度下工作。但就目前而言，這些高溫部件不符合AEC-Q100標準。

在我們繼續(xù)討論AEC-Q100的主題之前，您可能會發(fā)現(xiàn)，即使您不在汽車領域工作，指定合格的零件也是一種很好的方法，但您的應用需要高可靠性和耐受性環(huán)境。例如，合格的組件可以容忍振動。此外，其他行業(yè)開始依賴以汽車為中心的標準，而不是從頭開發(fā)自己的要求。我們還將通過本文的其余部分繼續(xù)討論汽車應用，因為它可以作為說明高溫問題的完美畫布。

回到TI，該公司還有另外兩個MCU系列，可提供高溫支持。 TMS570 MCU系列的額定工作溫度為125°C，專門針對汽車和運輸應用，其中安全性也是一個關鍵問題。實際上，TMS570集成了基于ARM Cortex-R4F架構的雙核（圖2）。這些內核可以在所謂的“鎖步模式”下運行，其中兩個內核并行執(zhí)行相同的操作，并且實時比較結果以檢測任何故障。對于要求高溫和關鍵任務安全性的任何應用，MCU都是不錯的選擇。

圖2：德州儀器的TMS570 MCU系列提供擴展功能 - 溫度操作和冗余核心，確保在任務關鍵型應用程序中安全運行。

還有廣泛的工業(yè)應用需要擴展溫度支持。例子包括電機控制和工業(yè)驅動控制。 TI針對這些應用采用TMS320F282x定點MCU和TMS320F280x Piccolo MCU，兩者的額定溫度均為125°C。這些產品是公司面向DSP的產品線的一部分，有時也稱為數(shù)字信號控制器（DSC）。

確定您的溫度需求

在這一點上，可以問為什么您需要超過125°C。答案很復雜。

Microchip Technology垂直市場副總裁Dan Termer使用他公司所在的亞利桑那州沙漠來解釋為什么150°C的支持很重要。特梅爾描述了夏季駕駛自動駕駛當?shù)啬仙降那榫?。在汽車運行時，通常有冷卻系統(tǒng)來控制最高環(huán)境溫度。即使安裝在燃油泵或油泵中或排氣歧管上的MCU在汽車運行時也不會升至125°C以上。

但是考慮一下當你停放并殺死引擎時會發(fā)生什么。在冷卻系統(tǒng)關閉的情況下，發(fā)動機艙內的溫度將升高至高于正常運行條件的水平。當發(fā)動機首次重新啟動時，MCU可能在遠高于典型值的環(huán)境中運行，直到冷卻系統(tǒng)穩(wěn)定溫度。

Termer表示，客戶需求促使Microchip在相當廣泛的產品系列上支持150°C的運行。實際上，庫存中有8位PIC12和PIC16 MCU可供選擇，額定溫度為150°C，在該溫度下符合AEC-Q100標準 - 稱為0級認證。圖3描述了PIC12F615 MCU，它將大量功能集封裝到8引腳封裝中，包括1.75 KB閃存，多個定時器和一個四通道，10位A/D轉換器。

圖3：Microchip在許多MCU中提供150°C支持和AEC-Q100 0級認證，包括此處描述的PIC12F615。

Microchip的8位和16位產品系列可提供更廣泛的150°C產品系列。還有16位PIC24 MCU和dsPIC33 DSC現(xiàn)貨供應，額定溫度為140°C。在125°C級，該公司提供8位PIC10，PIC12，PIC16和PIC18 MCU，16位PIC24 MCU以及16位dsPIC30和dsPIC33 DSC。在32位領域，該公司最近宣布推出額定溫度為105°C的PIC32 MCU。

鑒定150°C MCU

返回光譜的高溫端。根據(jù)Microchip的Termer，開發(fā)150°C支持是一個復雜的過程。他說，雖然客戶要求提供此類零件，但“我們沒有這些數(shù)據(jù)?！彼€表示，該公司必須首先經歷漫長的表征過程。

支持150°C要求對制造過程進行鑒定，特別是要求高溫額定值的IC。 Termer表示，Microchip通過流程認證來運行測試結構，但很快就會在流程中運行真正的MCU。

對于低溫復雜IC不存在的MCU的高溫操作存在許多關鍵問題。 Termer表示，閃存中準確的數(shù)據(jù)保留是高溫下特別困難的問題。同樣，在高溫下支持大量閃存寫入/擦除周期更加困難。這兩個區(qū)域中的任何一個故障都會導致絕對系統(tǒng)故障。

還有一些問題是讓一些模擬外設功能在高溫下正常工作。例如，集成振蕩器易受溫度影響。并且A/D轉換器也很容易受到影響。然而，在模擬區(qū)域中，故障模式比完全故障更可能喪失保真度。必須優(yōu)化芯片設計和工藝認證元件，以實現(xiàn)可靠的高溫操作。

確實，重要的是要確保在評估擴展或高溫MCU時，您需要考慮特定于較高溫度部件的數(shù)據(jù)表。在某些情況下，MCU制造商會在更高的溫度下降低某些規(guī)格。如果您使用的是低溫規(guī)格表，那么在溫度測試設計時可能會出現(xiàn)令人不快的意外情況。

應用和溫度

現(xiàn)在讓我們考慮可能需要MCU在我們討論過的溫度范圍內工作的應用類型。 Microchip產品營銷經理Bill Hutchings表示，105°C MCU正在被廣泛應用于可再生能源領域。例如，太陽能系統(tǒng)的功率逆變器和控制系統(tǒng)顯示器必須在陽光直射下長時間運行。

TI的C2000營銷經理Sangmin Chon將工業(yè)空間視為125°C產品的主要目標。具體應用包括功率轉換，大數(shù)據(jù)中心應用中也可能需要這樣的溫度。 Chon還看到125°C MCU服務于汽車市場的一大部分，其中125°C級，符合AEC-Q100標準的產品被稱為1級。

150°C MCU的市場領域是公認的盡管汽車作為主要消費者，但市場規(guī)模仍然很大。但還有其他150°C的應用。 Microchip的Termer確定了石油和天然氣行業(yè)的各種鉆井應用。他說，通常在鉆頭上安裝一個MCU來捕獲和預處理隨后發(fā)送到地面的數(shù)據(jù)。

MCU可用性

額定125°C和150°C的可用MCU系列可能比您想象的更廣泛。因此，如果您對溫度是否可能成為設計中的問題有疑問，請不要猶豫，指定高溫MCU;雖然這些產品的成本更高，但它們比您可能首先猜測的更便宜。例如，Atmel在其ATtiny和ATmega系列中提供150°C的MCU（圖4）。這些產品基于8位AVR處理器架構。最高時鐘速度為16 MHz。您可以選擇閃存范圍為2到64 KB的產品。圖4包含ATmega MCU的框圖。

圖4：在8位ATmega和ATtiny MCU系列中，Atmel支持150°C操作和一個AVR CPU核心。

總結

在搜索可以在更高溫度下運行的MCU時，您可能面臨的一個挑戰(zhàn)是通常不一致的方式，其中該功能在部件號中表示。進入IC供應商的網站并搜索擴展或高溫MCU通常并不簡單，產品編號不一致也無濟于事。

由于多個制造商以相對實惠的價格提供高溫MCU，即使在最惡劣的環(huán)境中，電子控制仍將繼續(xù)遍及機械系統(tǒng)。由于IC的復雜性，MCU是這個等式中最難的部分，MCU制造商正在為行業(yè)解決這個問題。只需確保準確辨別產品的最高運行溫度即可。不要忘記，在某些應用中，例如我們的沙漠汽車示例，當您的系統(tǒng)斷電時，可能會出現(xiàn)溫度升高的問題。但您很可能會發(fā)現(xiàn)您已熟悉的MCU架構可以滿足您的高溫要求。