¿Es posible que una MCU funcione a -55 grados, con una especificación de entorno de trabajo de -40 a 85 grados?

Escuché que alguien mencionó el método de detección: tener 10 MCU trabajando a -55 grados, y descubrir cuáles pueden funcionar correctamente, desechando los rotos.

¿Es aplicable el método? Me preocupa que la MCU funcione correctamente a -55 grados en mi prueba de detección y falle en el entorno de trabajo real.

Si no, ¿cuáles podrían ser las posibles soluciones? Estamos usando stm32f4, debido a su muy buen rendimiento DSP. Los MCU que funcionan a -55 grados que encontramos no tienen DSP y solo pueden funcionar a bajas frecuencias alrededor de 20MHz.

La forma cruda en que se aseguraría de no estar al borde de la operación sería probarlo fuera del rango. Por ejemplo, puede probar las piezas a -65 ° C con un voltaje a una velocidad de reloj más alta y un voltaje más alto / más bajo de lo normal.

El fabricante probablemente no realiza pruebas a temperaturas extremas, pero saben cuánto margen se requiere en condiciones de prueba y lo prueban. También saben cómo asegurarse de que están probando todo . No sabes nada de eso. Por ejemplo, algo como un oscilador podría funcionar bien hasta -40 ° C, y una vez que comenzó a trabajar a temperaturas muy bajas, pero algunos pueden no comenzar a -45 ° C. Una instrucción particular puede comenzar a fallar primero debido a algunas condiciones de tiempo.

Si el fabricante puede suministrar unidades calificadas a esa temperatura, eso sería lo mejor. O presionar para un requisito relajado. O coloque calentadores allí para garantizar una temperatura mínima después de un período de calentamiento aceptable (tal vez inhiba la operación hasta que se alcancen temperaturas aceptables).

Lo más probable es que si las piezas necesitan cumplir con un rango militar de temperatura más bajo, realmente necesita asegurarse de que funcione de manera confiable.

Como dijo, es imposible saber si degradó la unidad durante las pruebas fuera de su rango de temperatura. Tienes dos opciones:

1. Póngase en contacto con el fabricante preguntándole qué temperaturas extremas deben poder soportar las piezas. Porque puede haber notado que los rangos de temperatura son muy similares. Los fabricantes pueden elegir un rango de temperatura que se ha especificado comúnmente, que es factible y atractivo para los clientes potenciales, y luego probar ese rango de temperatura a pesar de que podrían pensar que las piezas podrían ser más robustas. Las pruebas son caras. Si responden milagrosamente, les garantizo que nunca responderán con certeza y dirán que es su responsabilidad si sus partes mueren. Sin embargo, puede estar más seguro de probar su unidad y usarla en ese rango de temperatura extendido, dependiendo de su objetivo de confiabilidad.
2. Use calentadores, sensores de temperatura y un sistema de control (que puede ser el mismo microcontrolador + un controlador) para controlar la temperatura dentro de los límites establecidos. Tiene la suerte de querer operar a bajas temperaturas, lo que es más fácil y más barato para la misma diferencia de temperatura ambiente. Honestamente, esto no es un problema para un sistema mucho más confiable. Simplemente haga cálculos aproximados para el requerimiento de energía del calentador, luego suelde una resistencia de potencia y un termistor cerca de su chip, agregue un controlador para el calentador (que podría ser un simple transistor) y controle esos desde un controlador integral proporcional que funciona a baja frecuencia en el fondo. Esa es 1 ecuación para resolver, ~ 5-6 componentes y ~ 10 líneas de código. Ni siquiera tiene que usar el control PI, los comparadores con histéresis podrían hacer el trabajo.

A lo que te refieres a veces se le llama 'uprating'. Es lo opuesto a 'reducción', que haría a algunos o todos sus componentes dependiendo de sus necesidades de aplicación y confiabilidad.

Aquí hay un viejo artículo sobre el tema de la actualización. Su recomendación al final es buena: comuníquese con el fabricante para comprender qué podría verse afectado al operar a baja temperatura. Nunca garantizarán la operación fuera de sus límites (a menos que usted sea un cliente grande / estratégico para ellos), pero pueden brindarle orientación sobre lo que les preocupa más, lo que podría ayudarlo a formular una buena prueba / prueba de vida.

La respuesta real depende de toneladas de factores. ¿Va a ver ciclos térmicos (entre caliente y frío) o simplemente funcionará a -55 ° C? El ciclado térmico induce fallas mecánicas en los cables de enlace y en el embalaje de IC. ¿Es una aplicación 'única' versus 'misión crítica', es decir, cuáles son las consecuencias de ver una falla? Si es un 'único' (unidad única que se está construyendo para uso a corto plazo), puede estar bien con probar algunas unidades. Si se trata de una situación de misión crítica, o la pieza se operará permanentemente a baja temperatura, es probable que desee dedicar más esfuerzo a la calificación.

La detección de este tipo se ha realizado para aplicaciones militares durante años. Lo importante es comprender dónde está el verdadero "acantilado" en el rendimiento de las piezas. Todos podemos estar de acuerdo en que las partes probablemente no funcionarán a -200C. Y probablemente todos podamos estar de acuerdo en que las partes probablemente funcionarán bien a -41 ° C (justo fuera del rango operativo STM32F). El fabricante ha puesto una banda de protección en el rango operativo de sus componentes.

Las preguntas relevantes son: ¿puede averiguar dónde está la banda de protección (e incluye su rango de temperatura inferior deseado), y alguna vez cambiará en varios lotes.

Calcular eso requerirá probar muchas partes para obtener buenas estadísticas sobre la confiabilidad de las partes a baja temperatura y cómo se ve la distribución de su falla, para que pueda predecir si es probable que aparezca el modo de falla en su implementación. Y luego, una vez que su producto esté en producción, tendrá que controlar el rendimiento de las piezas con algún tipo de muestreo de aceptación .

Un enfoque alternativo para todo esto es instalar un calentador y usar el sensor de temperatura del troquel del STM32F como retroalimentación en el circuito de control del calentador. No ayuda para un arranque en frío, pero si se trata de una unidad en funcionamiento continuo, podría estar bien.

Supongo que el MCU es CMOS, aunque usted no lo dice. Todas las MCU sufren problemas de autocalentamiento que limitan la temperatura máxima de funcionamiento. Por ejemplo, un iPhone con el cargador enchufado puede sentir aproximadamente 50C al tacto, pero debe tener 125C o más internamente cuando está en funcionamiento. Por lo tanto, el límite de prueba para su MCU, normalmente controlado durante la calificación con un termostream, garantizará que el límite de diseño sea correcto. Una vez que vaya por debajo de ese límite, se reducirán los retrasos en los transistores, lo que introduce la posibilidad de riesgos de carrera. Además, se reducirá la concentración de portadores intrínsecos, lo que tendrá un efecto sobre la movilidad. Si su MCU tiene convertidores A / D o D / A, sus características, por ejemplo, error máximo, podrían aumentar o no funcionar en absoluto.

La reducción de la frecuencia no ayudará en absoluto (esto puede ayudar con la temperatura alta). La desventaja principal con el uso del dispositivo fuera de su rango es que incluso si la probabilidad de error es baja, seguirá siendo significativa con la ejecución de millones de instrucciones por segundo. Si no le interesa demasiado el consumo de energía, puede desactivar las rutinas de ahorro de energía en su código (como detener, suspender, etc.) y esto dará como resultado un pequeño efecto de autocalentamiento, que podría mejorarse mediante el uso de un aislamiento grueso . Sin embargo, si su dispositivo tiene que funcionar a temperaturas muy bajas y altas, esto sería un problema.

Precalificar su dispositivo no será de mucha ayuda a menos que tenga acceso a lotes lentos y rápidos de su fabricante; Estos serán extremos de dopaje y otros parámetros como el grosor del metal para evaluar la fiabilidad.

Si tiene un presupuesto pesado, puede licenciar su propio procesador de ARM o uno de sus competidores y endurecerlo usted mismo según sus propias especificaciones de temperatura. Esto se conoce como un enfoque de herramientas propias del cliente (COT). Si es necesario, también puede licenciar el controlador de memoria IP y los periféricos. Una alternativa sería acercarse a un fabricante especializado en personalización y pedirles que precalifiquen su producto requerido en un rango de temperatura extendido.

Un fabricante que realiza la personalización tendrá acceso a todas las bases de datos de diseño asistido por computadora (CAD) necesarias para verificar un chip. Entonces es simple revalidar el diseño a una temperatura más baja. Sin embargo, pueden depender de un segundo proveedor para caracterizar el silicio a una temperatura fuera del rango habitual. Esto requiere una amplia gama de simulaciones SPICE y experimentos de caracterización de bibliotecas asociados, que pueden estar fuera del alcance de lo que están dispuestos a hacer para todos menos para el cliente más grande. Como parte de este proceso, el termostream mencionado anteriormente se puede usar para verificar que los lotes divididos aún pasen sus vectores de prueba a la temperatura baja que especifique. Esto también puede resultar en una pérdida de rendimiento como se menciona en otras respuestas.