Можно ли работать MCU при температуре -55 градусов со спецификацией рабочей среды от -40 до 85 градусов?

Я слышал, что кто-то упомянул метод скрининга: иметь 10 микроконтроллеров, работающих на -55 градусов, и найти те, которые могут работать правильно, выбрасывая сломанные.

Метод применим? Я обеспокоен тем, что MCU может нормально работать при -55 градусах в моем тесте на скрининг и не работать в реальной рабочей среде.

Если нет, какие могут быть возможные решения? Мы используем stm32f4 из-за его очень хорошей производительности DSP. Мы обнаружили, что микроконтроллеры, работающие при -55 градусов, не имеют DSP и могут работать только на низких частотах около 20 МГц.

Грубый способ убедиться, что вы не находитесь на грани операции, - это проверить его за пределами диапазона. Например, вы можете проверить детали при -65 ° C при напряжении на более высокой тактовой частоте и более высоком / более низком напряжении, чем обычно.

Производители, вероятно, сами не проводят испытания при экстремальных температурах, но они знают, какой запас необходим в условиях испытаний, и проверяют это. Они также знают, как гарантировать, что они проверяют все . Вы ничего этого не знаете. Например, что-то вроде генератора может нормально работать до -40 ° C, и однажды он начал работать при очень низких температурах, но некоторые могут не запуститься при -45 ° C. Одна конкретная инструкция может начать сбоить первой из-за некоторых условий синхронизации.

Если производитель может поставить устройства, соответствующие этой температуре, это будет лучше всего. Или лобби для расслабленного требования. Или установите нагреватели, чтобы гарантировать минимальную температуру после приемлемого периода прогрева (возможно, запретите работу, пока не будет достигнута приемлемая температура).

Скорее всего, если детали должны соответствовать военному диапазону более низких температур, вам действительно нужно быть уверенным, что они работают надежно.

Как вы сказали, невозможно сказать, испортили ли вы устройство во время испытаний за пределами его температурного диапазона. У вас есть два варианта:

1. Свяжитесь с производителем, спросив, какие экстремальные температуры должны выдерживать детали. Потому что вы могли заметить, что температурные диапазоны очень похожи. Производители могут выбрать диапазон температур, который обычно указывается, который выполним и в то же время привлекателен для потенциальных клиентов, а затем проверить этот диапазон температур, даже если они считают, что детали могут быть более надежными. Тестирование дорогое. Если они ответят чудесным образом, я гарантирую, что они никогда не ответят с уверенностью, и они скажут, что это ваша ответственность, если ваши части умрут. Тем не менее, вы можете быть более уверены в том, что можете протестировать устройство и использовать его в этом расширенном температурном диапазоне, в зависимости от вашей цели надежности.
2. Используйте нагреватели, датчики температуры и систему управления (которая может быть одним и тем же микроконтроллером + драйвером) для контроля температуры в установленных пределах. Вам повезло, что вы хотите работать при низких температурах, что проще и дешевле при той же разнице температур окружающей среды. Честно говоря, это не так много проблем для гораздо более надежной системы. Просто сделайте грубые расчеты для потребляемой мощности нагревателя, затем припаяйте силовой резистор и термистор рядом с вашей микросхемой, добавьте драйвер для нагревателя (который может быть простым транзистором) и управляйте ими с помощью пропорционально-интегрального контроллера, работающего на низкая частота в фоновом режиме. Это 1 уравнение для решения, ~ 5-6 компонентов и ~ 10 строк кода. Вам даже не нужно использовать PI control, компараторы с гистерезисом могут сделать эту работу.

То, на что вы ссылаетесь, иногда называют «преуменьшением». Это противоположность «понижения», которое вы делаете с некоторыми или со всеми вашими компонентами в зависимости от вашего приложения и требований к надежности.

Вот старая статья на тему повышения рейтинга. В конце концов, их рекомендация хорошая - обратитесь к производителю, чтобы понять, на что может повлиять работа при низкой температуре. Они никогда не будут гарантировать работу за их пределами (если вы не являетесь для них крупным / стратегическим клиентом), но они могут дать некоторые рекомендации о том, что их больше всего беспокоит, что может помочь вам сформулировать хороший жизненный тест / экран.

Реальный ответ зависит от множества факторов. Будет ли наблюдаться термический цикл (между горячим и холодным) или просто он будет работать при -55? Термический цикл вызывает механические сбои в соединительных проводах и упаковке микросхем. Является ли это «одноразовым» и «критически важным» приложением, т. Е. Каковы последствия появления отказа. Если это «один раз» (один блок создается для кратковременного использования), вы можете протестировать несколько модулей. Если это критическая ситуация, или деталь будет работать постоянно при низкой температуре, вы, вероятно, захотите потратить больше усилий на квалификацию.

Подобный скрининг был сделан для военных приложений в течение многих лет. Важно понять, где находится настоящий «обрыв» в производительности деталей. Мы все можем согласиться с тем, что детали, вероятно, не будут работать при -200C. И мы можем, вероятно, все согласиться с тем, что детали, вероятно, будут работать очень хорошо при -41C (за пределами рабочего диапазона STM32F). Производитель установил защитную ленту на рабочий диапазон своих компонентов.

Соответствующие вопросы - можете ли вы выяснить, где находится защитная полоса (и включает ли она желаемый диапазон низких температур), и будет ли она когда-либо изменяться для нескольких лотов.

Чтобы выяснить это, потребуется протестировать многие детали, чтобы получить хорошую статистику о надежности деталей при низкой температуре и о том, как выглядит распределение их отказов, так что вы можете предсказать, появится ли режим отказа в вашей реализации. И затем, как только ваш продукт будет запущен в производство, вам придется отслеживать производительность деталей с помощью некоторой приемочной выборки .

Альтернативный подход ко всему этому - установить нагреватель и использовать датчик температуры мундштука STM32F в качестве обратной связи в контуре управления нагревателем. Не помогает для холодного старта, но если это постоянно работающий блок, это может быть хорошо.

Я предполагаю, что MCU - CMOS, хотя вы так не говорите. Все микроконтроллеры имеют проблемы с самонагревом, что ограничивает максимальную рабочую температуру. Например, iPhone с подключенным зарядным устройством на ощупь может ощущать температуру около 50 ° С, но при работе может быть 125 ° С или выше. Таким образом, предел испытаний для вашего MCU, обычно контролируемый во время квалификации с помощью термопотока, будет гарантировать, что расчетный предел в порядке. Как только вы достигнете этого предела, задержки на транзисторах уменьшатся, что может привести к опасности возникновения гонки. Кроме того, снижается собственная концентрация носителей, что влияет на мобильность. Если ваш MCU имеет аналого-цифровые или цифро-аналоговые преобразователи, их характеристики, например, максимальная ошибка, могут увеличиться или не работать вообще.

Снижение частоты не поможет вообще (это может помочь с высокой температурой). Основным недостатком использования устройства вне его диапазона является то, что даже если вероятность ошибки мала, она все равно будет существенной, если выполняются миллионы инструкций в секунду. Если вы не слишком требовательны к энергопотреблению, вы можете отключить в своем коде подпрограммы энергосбережения (такие как остановка, спящий режим и т. Д.), И это приведет к небольшому эффекту самонагревания, который можно усилить с помощью толстой изоляции. , Однако, если ваше устройство должно работать при очень низкой и высокой температуре, это будет проблемой.

Предварительная квалификация вашего устройства не сильно поможет, если у вас нет доступа к медленным и быстрым лотам от вашего производителя; это будут крайности легирования и другие параметры, такие как толщина металла для оценки надежности.

Если у вас ограниченный бюджет, вы можете получить лицензию на свой собственный процессор от ARM или одного из его конкурентов и самостоятельно адаптировать его к своим собственным температурным характеристикам. Это известно как подход, основанный на использовании клиента (COT). При необходимости вы можете лицензировать контроллер памяти IP и периферийные устройства. В качестве альтернативы можно обратиться к производителю, специализирующемуся на индивидуальной настройке, и попросить его провести предварительную квалификацию необходимого вам продукта в расширенном температурном диапазоне.

Производитель, выполняющий настройку, будет иметь доступ ко всем базам данных автоматизированного проектирования (CAD), необходимых для проверки чипа. В этом случае очень просто провести повторную проверку конструкции при более низкой температуре. Однако они могут полагаться на второго поставщика для характеристики кремния при температуре за пределами обычного диапазона. Это требует широкого спектра моделирования SPICE и связанных с ним экспериментов по определению характеристик библиотеки, которые могут выходить за рамки того, что они готовы сделать для всех, кроме самого крупного клиента. В рамках этого процесса ранее упомянутый термопоток может использоваться для проверки того, что разделенные партии все еще проходят свои тестовые векторы при заданной вами низкой температуре. Это также может привести к потере доходности, как указано в других ответах.