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ADI读书活动第六十期:用于高温电子应用的低功耗数据...

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发表于 2016-11-7 09:15:49 | 显示全部楼层 |阅读模式
用于高温电子应用的低功耗数据采集解决方案

简介
越来越多的应用要求数据采集系统必须在极高环境温度下可靠地工作,例如井下油气钻探、航空和汽车应用等。
这些系统的主要要求:对多个传感器进行精确数据采集,或者要求高采样速率。有很严格的功率预算,采用电池供电,或者无法耐受自身电子元件发热导致的额外升温。
本文提供了一个新的高温数据采集参考设计,该设计在室温至175°C温度范围内进行特征化。旨在提供一个完整的数据采集电路构建块,可获取模拟传感器输入、对其进行调理,并将其特征化为SPI串行数据流。该设计功能非常丰富,可用作单通道应用,也可扩展为多通道同步采样应用。由于认识到低功耗的重要性,该ADC的功耗与采样速率成线性比例关系。该ADC还可由基准电压源直接供电,无需额外的电源轨,从而不存在功率转换相关的低效率。这款参考设计是现成的,可方便设计人员进行测试,包含全部原理图、物料清单、PCB布局图和测试软件。
图1.png

电路概览
图1所示电路是一个16位、600 kSPS逐次逼近型模数转换器系统,其所用器件的额定温度、特性测试温度和性能保证温度为175°C。很多恶劣环境应用都采用电池供电,因此该信号链针对低功耗而设计,同时仍然保持高性能。
本电路使用低功耗、耐高温PulSAR® ADCAD7981,并由耐高温、低功耗运算放大器AD8634驱动。基准电压源为微功耗2.5 V精密基准源ADR225 ,后者也通过了高温工作认证,并具有非常低的静态电流(210°C时最大值为60 μA)。本设计中的所有IC封装都是专门针对高温环境而设计,包括单金属线焊。
模数转换器
本电路的核心是16位、低功耗、单电源ADC AD7981,它采用逐次逼近架构,最高支持600 kSPS的采样速率。AD7981在600 kSPS时功耗典型值仅为4.65 mW,可实现非常低的功耗,支持电池供电系统。此外,可以使用过采样技术来提高低速信号的有效分辨率,采用10引脚MSOP封装,额定温度为175°C。
ADC驱动器
AD7981的输入可直接从低阻抗信号源驱动;然而,高源阻抗会显著降低性能,尤其是总谐波失真 (THD)。因此,推荐使用ADC驱动器或运算放大器(如AD8634)来驱动AD7981输入。原理如图2
图2.png

基准电压源
ADR225 2.5 V基准电压源在时210°C仅消耗最大60 μA的静态电流,并具有典型值40 ppm/°C的超低漂移特性,因而非常适合用于该低功耗数据采集电路。该器件的初始精度为±0.4%,可在3.3 V至16 V的宽电源范围内工作。
数字接口
AD7981提供一个兼容SPI、QSPI和其他数字主机的灵活串行数字接口。该接口既可配置为简单的3线模式以实现最少的I/O数,也可配置为4线模式以提供菊花链回读和繁忙指示选项。4线模式还支持CNV(转换输入)的独立回读时序,使得多个转换器可实现同步采样。
电源
本参考设计的 +5 V和 −2.5 V供电轨需要外部低噪声电源。由于AD7981是低功耗器件,因此可通过基准电压缓冲器直接供电。这样便不再需要额外的供电轨——节省电源和电路板空间。如果逻辑电平兼容,那么还可以使用VIO。就参考设计板而言,VIO通过PMOD兼容接口由外部供电,以实现最高的灵活性。
IC封装和可靠性
ADI公司高温系列中的器件要经历特殊的工艺流程,包括设计、特性测试、可靠性认证和生产测试。专门针对极端温度设计特殊封装是该流程的一部分。本电路中的175°C塑料封装采用一种特殊材料。
为了避免失效,ADI公司利用焊盘金属化 (OPM) 工艺产生一个金焊垫表面以供金焊线连接。这种单金属系统不会形成金属间化合物,经过195°C、6000小时的浸泡式认证测试,已被证明非常可靠。
无源元件
应当选择耐高温的无源元件。本设计使用175°C以上的薄膜型低TCR电阻。COG/NPO电容容值较低常用于滤波器和去耦应用,其温度系数非常平坦。耐高温钽电容有比陶瓷电容更大的容值,常用于电源滤波。
PCB布局和装配
图3.png
针对高温电路,应当采用特殊电路材料和装配技术来确保可靠性。FR4超过140°C时,PCB便开始破裂、分层,并对元器件造成压力。高温装配广泛使用的替代材料是聚酰亚胺,其典型玻璃转化温度大于240°C。本设计使用4层聚酰亚胺PCB。
小结
本文中,我们提供了一个新的高温数据采集参考设计,表述了室温至175°C温度范围内的特性。该电路是一个完整的低功耗 (<20 mW) 数据采集电路构建块,可获取模拟传感器输入、对其进行调理,并将其数字化为SPI串行数据流。这款参考设计现成可用,可方便设计人员进行测试,包含全部原理图、物料清单、PCB布局图、测试软件和文档。

进入有奖互动环节:
1, 如钻井设备等,在极高环境温度下可靠地工作的数据采集系统的主要要求?
2,本文介绍的数据采集系统中用到的ADI公司高温系列产品,主要有哪三种器件,分别实现什么功能?
3,填空;ADI公司利用_________工艺产生一个金焊垫表面以供金焊线连接。这种单金属系统不会形成__________,经过195°C、6000小时的浸泡式认证测试,已被证明非常可靠
4, 方案中使用的线路板材需要耐高温(175°C以上)的特性,用普通的FR4板材是否可行?为什么?
5,通过阅读扩展链接,找到本方案在ADI官网上详细资料的下载网址。



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