高温环境下的低功耗数据采集解决方案

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。虽然这些行业的最终应用不尽相同，但某些信号调理需求却是共同的。这些系统的主要部分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。此外，很多这样的应用都有很严格的功率预算，因为它们采用电池供电，或者无法耐受自身电子元件发热导致的额外升温。因此，需要用到可以在温度范围内保持高精度，并且可以轻松用于各种场景的低功耗模数转换器 (ADC) 信号链。这类信号链见图1；该图描绘了一个井下钻探仪器。

虽然额定温度为175°C的商用IC数量依然较少，但近年来这一数量正在增加，尤其是诸如信号调理和数据转换等核心功能。这便促使电子工程师快速可靠地设计用于高温应用的产品，并完成过去无法实现的性能。虽然很多这类IC在温度范围内具有良好的特性化，但也仅限于该器件的功能。显然，这些元件缺少电路级信息，使其无法在现实系统中实现最佳性能。

本文中，我们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。该电路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。

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（600 kSPS时为4.65 mW）、耐高温PulSAR® ADCAD7981，它直接从耐高温、低功耗运算放大器AD8634驱动。AD7981 ADC需要2.4 V至5.1 V的外部基准电压源，本应用选择的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。

图1. 井下仪器数据采集信号链。

图2. 数据采集电路简化原理图。

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。如图1所示，AD7981使用两个电源引脚：内核电源 (VDD) 和数字输入/输出接口电源 (VIO)。VIO引脚可以与1.8 V至5.0 V的任何逻辑直接接口。VDD和VIO引脚也可以连在一起以节省系统所需的电源数量，并且它们与电源时序无关。图3给出了连接示意图。

AD7981在600 kSPS时功耗典型值仅为4.65 mW，并能在两次转换之间自动关断，以节省功耗。因此，功耗与采样速率成线性比例关系，使得该ADC对高低采样速率——甚至低至数Hz——均适合，并且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。

图3. AD7981应用图。

AD7981有一个伪差分模拟输入结构，可对IN+ 与IN− 输入之间的真差分信号进行采样，并抑制这两个输入共有的信号。IN+ 输入支持0 V至VREF的单极性、单端输入信号，IN− 输入的范围受限，为GND至100 mV。AD7981的伪差分输入简化了ADC驱动器要求并降低了功耗。AD7981采用10引脚MSOP封装，额定温度为175°C。

PCB布局和装配

在本电路的PCB设计中，模拟信号和数字接口位于ADC的相对两侧，ADC IC之下或模拟信号路径附近无开关信号。这种设计可以最大程度地降低耦合到ADC芯片和辅助模拟信号链中的噪声。AD7981的所有模拟信号位于左侧，所有数字信号位于右侧，这种引脚排列可以简化设计。基准电压输入REF具有动态输入阻抗，应当用极小的寄生电感去耦，为此须将基准电压去耦电容放在尽量靠近REF和GND引脚的地方，并用低阻抗的宽走线连接该引脚。本电路板的元器件故意全都放在正面，以方便从背面加热进行温度测试。完整的组件如图9所示。关于其它布局布线建议，参见AD7981数据手册。

图4. 参考设计电路组件。

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是PCB叠层常用的材料，但商用FR4的典型玻璃转化温度约为140°C。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。

PCB表面也需要注意，特别是配合含锡的焊料使用时，因为这种焊料易于与铜走线形成铜金属间化合物。常常采用镍金表面处理，其中镍提供一个壁垒，金则为接头焊接提供一个良好的表面。此外，应当使用高熔点焊料，熔点与系统最高工作温度之间应有合适的裕量。本装配选择SAC305无铅焊料，其熔点为217°C，相对于175°C的最高工作温度有42°C的裕量。

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。