Поиск скрытых резервов современных микросхем.
Часть 3

В первых двух статьях нашего цикла мы описали постановку задачи. Вкратце она сводится к следующему. Современная электронная промышленность достигла огромных успехов в создании и производстве высококачественных и многофункциональных компонентов. Но основная часть электронной техники работает в довольно комфортной обстановке: в теплых и сухих помещениях или, например, в карманах своих хозяев. Поэтому массово выпускаемые электронные компоненты неизбежно рассчитаны на работу в таких условиях. Компоненты, предназначенные для жесткой эксплуатации, тоже существуют, но их выбор несопоставимо меньше, они стоят очень дорого, а главное — их возможности не столь широки, как у современных компонентов обычного применения.

Сегодня никто уже не может обходиться без электроники, функционирующей в экстремально тяжелых условиях — в аппаратуре для управления высокотемпературными технологическими процессами, для бурения глубоких скважин, в военной и аэрокосмической технике. Поэтому действуют и непрерывно совершенствуются методики расчетов и исследований, позволяющих применять электронные компоненты за пределами эксплуатационных рамок, заявленных производителями.

Чаще всего требуется работа компонента за пределами указанного в спецификации диапазона температур. В начале нашего цикла мы описали конкретную задачу: использование микросхемы программируемой логики (ПЛИС) в составе анализатора качества топливовоздушной смеси двигателя внутреннего сгорания. Устройство было создано, успешно прошло испытания, в ходе которых выяснилось, что его перспективы намного возрастут, если оно будет способно кратковременно работать за пределами заявленного температурного диапазона Automotive –40…+125 °С, а именно при температурах –50 и +135 °С.

Поэтому мы решили выяснить, возможно ли использовать наше изделие за пределами гарантированного производителем температурного диапазона. Теоретические изыскания показали, что скорее да, чем нет. Осталось подтвердить эту версию экспериментально. Для исследования работоспособности ПЛИС в расширенном диапазоне температур была разработана методика электрического тестирования, которая позволяет оценить вклад различных структур ПЛИС (блоков ввода/вывода, логических ячеек, триггеров) в изменение задержки распространения сигналов. В ходе эксперимента был сделан стенд для исследования изменений задержек прохождения сигналов в ПЛИС в зависимости от температуры [2]. Стенд состоит из двух идентичных модулей: один работает при комнатной температуре — эталонный, а другой помещен в термокамеру — тестовый. На оба модуля подается один и тот же тестовый сигнал. Сигналы с выходов модулей направляются на вход осциллографа, чтобы измерить задержку распространения сигнала в тестовом модуле относительно эталонного.

В архитектуре ПЛИС следует выделить ряд групп функциональных элементов, реакция которых на воздействие экстремальных температур может существенно различаться. Такими функциональными элементами на взгляд авторов в общем случае являются:

• комбинаторная логика;
• триггеры;
• блоки ввода/вывода;
• блоки умножения частоты.

В связи с наличием указанных групп программное обеспечение ПЛИС для проведения эксперимента содержит ряд блоков для оценки воздействия экстремальной температуры на различные группы функциональных элементов:

1. Блок тестирования Direct — простейшая цепочка из входного и выходного буферов. Сигнал с выхода входного буфера подается на вход выходного буфера и на входы остальных четырех блоков тестирования.
2. Блок тестирования Combi_0 — семнадцать звеньев комбинаторной логики AND2B.
3. Блок тестирования Fliplop_0 — двадцать последовательно включенных триггеров DFC1E, где выход QN предыдущего триггера соединен с входом CLK последующего.
4. Блок тестирования Counter20 — двадцатиразрядный счетчик.
5. Блок тестирования IO_0 — одиннадцать звеньев, состоящих из входного и выходного буферов. Объединение звеньев в цепочку выполняется перемычками на печатной плате.

Выбор того, какой из выходных сигналов одного из четырех блоков тестирования окажется на выходном контакте ПЛИС, осуществляется мультиплексором внутри ПЛИС. Вывод сигнала Direct — цепочки входного и выходного буферов на выход модуля — выполняется перемычками по плате.

Для проведения термоиспытаний были выбраны семейства микросхем, данные о задержках распространения сигналов внутри которых при воздействии экстремальных температур представляются наиболее интересными. Выбранные для проведения эксперимента семейства и микросхемы указаны в таблице 1.

Микросхемы указанных семейств широко используются в составе аппаратуры, предназначенной для работы в жестких условиях.

В ходе эксперимента температура в термокамере меняется в широких пределах, при этом фиксируется изменение временной задержки сигнала тестового модуля относительно сигнала эталонного модуля в зависимости от температуры в термокамере. В случае сбоя в работе тестового модуля фиксируется температура, при которой произошел сбой.

Эксперимент показал, что ПЛИС eX64‑TQ100A с заявленным рабочим температурным диапазоном –40…+125 °С прекрасно работает в диапазоне температур –59…+150 °C. Задержек/опережений сигнала нагреваемой ПЛИС относительно ПЛИС, работавшей при комнатной температуре, замечено не было. При температуре +151 °C произошел отказ тестовой платы из-за срабатывания схемы защиты от перегрева преобразователя напряжения ADP3335ARM‑3,3.

Для проведения испытания при температурах выше +150 °C схема питания модулей на основе ПЛИС eX256‑TQ100A и A54SX32A-PQ208A была изменена: собственные преобразователи напряжения в тестовом модуле отключены, а питающие напряжения на тестовый модуль поданы с эталонного модуля.

В результате фактический рабочий температурный диапазон тестового модуля в области высоких температур увеличился еще приблизительно на 30 °C. Сравнение заявленного производителем температурного диапазона с рабочим температурным диапазоном, полученным в ходе проведения термоиспытаний, представлено в таблице 2.

Экспериментально определить температуру отказа ПЛИС в результате воздействия низких температур в ходе проведения испытаний не удалось — возможности оборудования позволяют охладить испытываемые модули только до температуры –59 °С. Указанное значение температуры находится за пределами рабочего температурного диапазона всех испытанных нами микросхем, однако ни одного сбоя или изменений параметров тестового сигнала при воздействии экстремально низких температур в ходе экспериментов выявлено не было.

В процессе экспериментов выявлены отказы микросхем при воздействии высоких температур. Причем отказы ПЛИС в результате воздействия высоких температур проявлялись по-разному, в зависимости от семейства ПЛИС. У микросхем семейства AX отказ различных функциональных блоков (комбинаторная логика, триггеры, блоки ввода/вывода) происходил при различных температурах: от +180 (триггеры) до +220 °С и выше (блоки ввода/вывода). У микросхем семейства eX отказ всех функциональных блоков происходил в узком температурном диапазоне +178…+182 °С.

Несмотря на различия в вариантах проявления отказов, у микросхем различных семейств явно просматривается пороговая температура «сверху», при достижении которой отказы начинают резко проявляться. По результатам проведенных экспериментов, для семейств микросхем, прошедших испытания, эта температура составляет (+180 ±3) °С.

Очевидно, что срок службы микросхемы при работе в среде с экстремально низкой/высокой температурой может существенно сократиться. Однако есть задачи, для которых наиболее важным является не длительный срок функционирования при экстремальной температуре, а просто сам факт наличия такой возможности. Время, в течение которого ПЛИС может сохранять работоспособность при данной температуре, будет зависеть от множества факторов, таких как сложность FPGA-дизайна, системная частота, состав и плотность расположения элементов устройства на печатной плате, их тепловыделение, и может быть установлено при испытаниях в составе целевой аппаратуры.