CN114268086A - 超低温环境下工业级芯片的工作电路系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超低温环境下工业级电路线路技术领域，具体涉及超低温环境下工业级芯片的工作电路系统及其方法；电路系统包括：电源、多个继电器、多个PCB加热模块、多个热敏传感器、数字温度传感器、MCU、MOS管、主功能电路和LDO；当电路系统工作前，继电器默认处于闭合状态，继电器会接通电源和PCB加热模块内部的铜线路进行加热，在PCB加热模块内部铜线路的表面安装有多个热敏传感器和数字温度传感器，当加热电路温度达到设定温度时，热敏电阻会与高侧电阻分压主动驱动继电器给PCB加热模块断电。可解决超低温（如低于‑40℃）环境下，工业级电路无法工作的问题，有利于使用低成本方案提高电路适用环境范围，降低设计生产成本。

Description

超低温环境下工业级芯片的工作电路系统及其方法

技术领域

本发明涉及超低温环境下工业级电路线路技术领域，具体涉及超低温环境下工业级芯片的工作电路系统及其方法。

背景技术

传统技术的基本情况：由于我国芯片生产制作工艺的相对落后，以及国外在高端芯片对中国卡脖子等因素的影响，很多工程设计应用比较容易获得的都是工业级芯片，但对于水声、军工很多方面的电路都需要面对超低温的环境考验，对于要求超低温环境下工作的设备很难有合适的芯片来满足实际需求。随着水声工程上研究应用逐渐广泛，从浅水到超深水域，从低纬度到高纬度，从民品到军品，对材料、电路方案都具有巨大的挑战。超低温条件下，首当其冲的是电路难启动的问题。超低温环境会导致电路出现各类失效现象，大大降低了电路可靠性，这直接关系着科研设备能否正常工作。

对于超低温条件电路启动难的问题，工程师们也想出了不少针对性的解决方法：

1）航天器的低温启动解决方案：对于短期的航天探测任务，如 Huygens 的太阳神探测，可将电路安装温度控制箱内。而对于每天经历低温循环的火星探测器，基本采用电解液加热。

2）汽车在高原低温启动解决方案：为了解决低温环境下蓄电池的放电问题，采用超级电容代替蓄电池为柴油机启动马达供电，从而带动柴油机发动，最后利用柴油机传热给ECU主控，最后确保电路温度上升到工作的正常温度。

传统的低温电路启动解决方主要存在以下的缺点：

1）航天器的低温启动解决方案：温度保护系统除了需加装额外的设备，也需温度控制系统来调节其工作温度。加热装置一方面会增加系统的体积和重量；另一方面，还会增加系统的复杂性。因此，极端温度环境防护技术是以牺牲装备机动性、电力、重量等为代价的。有时，对于直接暴露在极端温度环境中的器件或组件进行隔离防护很不现实。

2）汽车在高原低温启动解决方案：低温环境下，蓄能电容性能会大大降低，同时电容的使用寿命也会逐渐减少，同时由于需要存储相应能量，电容的体积也会随之增加，给小型化产品带来了一定困难。

传统采用高温舱体加热等方式偏重于利用外部设备实现加热功能，空间尺寸需求较大，由于水声相关的设备体积普遍不大，不适用传统加热方式。为此，提出需要解决的两个问题：

1）理清极端温度环境下电路板失效机理，温度环境从哪几个方面导致电路元器件失效的原因和规律。

2）获取目前解决超低温启动难的具体解决方案的评估，使方案更加“可观”。如何简单有效的让工业级芯片可以在超低温环境下正常工作十分必要。

本发明要解决的技术问题主要是有以下几个方面：

1）设计一个加热控制电路，用于加热电路的开通和关闭，控制一个或者多个加热通道的通断，为整个电路提供可靠的加热控制功能。

2）设计一个PCB加热回流电路，通过PCB内层的同层走线，形成电流流动的路径，作为整个电路加热的加热电阻部分，缩小整体电路的体积。降低硬件成本。

3）设计一个温度检测电路，用于检测加热温度是否达到目标值，并给控制电路信号来切断加热回路，确保不会因为过度加热导致电路损坏。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了超低温环境下工业级芯片的工作电路系统及其方法，可解决超低温（如低于-40℃）环境下，工业级电路无法工作的问题，有利于使用低成本方案提高电路适用环境范围，降低设计生产成本。

本发明通过以下技术方案予以实现：

超低温环境下工业级芯片的工作电路系统；所述电路系统包括：电源、多个继电器、多个PCB加热模块、多个热敏传感器、数字温度传感器、MCU、MOS管、主功能电路和LDO；

当电路系统工作前，所述继电器默认处于闭合状态，所述继电器会接通所述电源和所述PCB加热模块内部的铜线路进行加热，在所述PCB加热模块内部铜线路的表面安装有多个所述热敏传感器和所述数字温度传感器，当加热电路温度达到设定温度时，热敏电阻会与高侧电阻分压主动驱动所述继电器给所述PCB加热模块断电，同时使能所述LDO给所述MCU供电，所述MCU同时去再次关断所述继电器，另外也驱动所述MOS管给所述主功能电路供电，所述主功能电路此时各部分芯片达到目标启动工作电压。

优选的，所述PCB加热模块主要由PTC热敏电阻和电磁继电器组成。

优选的，所述PCB加热模块中的加热回流电路，设置为多个独立的加热通道。

优选的，所述加热通道设置的数量为两个。

优选的，所述电路系统中的温度检测电路包括如下步骤：默认闭合的所述继电器U1上电后立即给所述PCB加热模块上的覆铜区加热，使加热区域的待启动芯片温度达到芯片正常工作的温度，此时PCB板上的所述PTC热敏电阻R3随着温度的升高而变大，此时LTC3045电源芯片的使能端电压为高，所述LDO输出给所述MCU供电，所述MCU继而去驱动Q2，此时所述电磁继电器通电，切断了给RL的供电。

优选的，在所述温度检测电路中，D14给所述电磁继电器线圈提供回流路径，当Q2关闭时，U1的线圈需要一个续流的回流路径。

优选的，在所述温度检测电路中，依靠电路自身工作的热量来保证板卡工作，如果自身工作产生的热量不能维系各个芯片的所需温度，那么电路板上的多个所述温度传感器U3、U4、U5、U6会通过I2C接口反馈各个关键器件点附近的温度，然后所述MCU根据自己的需求来关闭或者打开对应区域所述电磁继电器，从而来调节板卡的温度。

优选的，所述PCB加热模块上的自加热覆铜方式采用整面PCB板覆铜、“回”字型走线方式覆铜或“S”字型走线方式覆铜中的一种。

优选的，所述PCB加热模块上的自加热覆铜方式采用“S”字型走线方式对PCB板进行覆铜来加热，出电流口靠近进电流口，经过换热之后，覆铜流道内的温度逐渐升高。

本发明还提供了如下技术方案：超低温环境下工业级芯片的工作电路系统的使用方法，采用上述所述的超低温环境下工业级芯片的工作电路系统；

基于电磁继电器和PTC热敏电阻的超低温加热电路的工作原理如下：

默认闭合的电磁继电器上电后立即给PCB板覆铜区加热，使加热区域的待启动芯片温度达到芯片正常工作的温度，同时 PCB板上的PTC热敏电阻随着温度的升高而变大，此时电源芯片的使能端电压为高，该LDO输出给MCU供电，MCU继而去驱动电磁继电器切断了给加热电路的供电；

之后依靠电路自身工作的热量来保证板卡工作，如果自身工作产生的热量不能维系各个芯片的所需温度，那么电路板上的多个数字温度传感器会反馈各个关键器件点附近的温度， MCU根据自己的需求来关闭或者打开对应区域继电器，从而来调节板卡的温度。

本发明的有益效果为：

1）减少了加热电路的体积，降低了设计复杂程度，从之前的复杂、大体积，到以后简单小体积，为之后的超低温电路设计提供了更有价值的参考。

2）使用简单可靠的器件及电路PCB来组成加热电路，极大的降低了硬件成本，可以高可靠性、低成本的使用工业级芯片来适应超低温环境，提高了电路的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的加热电路装置整体功能框图；

图2是本发明中热敏电阻阻值与温度变化的关系图；

图3是本发明中电磁继电器驱动电路图；

图4是本发明中热电偶组成的主控电源电路图；

图5是本发明中多通道温度传感器及主控电路图；

图6是本发明中“回”和“S”字覆铜形式图；

图7是本发明中不同形式的加热覆铜走线形式对PCB温升的影响图。

图中：1-电源、2-电磁继电器、3-PCB加热模块、4-热敏传感器、5-数字温度传感器、6-MCU、7-MOS管、8-主功能电路、9-LDO。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

请参阅图1~7所示，本实施例具体公开提供了超低温环境下工业级芯片的工作电路系统的技术方案，超低温环境下工业级芯片的工作电路系统；

所述电路系统包括：电源1（电源1默认是可以正常供电的，超低温电源1无法开启可以参考此原理先让电源1工作）、多个继电器、多个PCB加热模块3、多个热敏传感器4、数字温度传感器5、MCU6、MOS管7、主功能电路8和LDO9；

当电路系统工作前，所述继电器默认处于闭合状态，所述继电器会接通所述电源1和所述PCB加热模块3内部的铜线路进行加热，在所述PCB加热模块3内部铜线路的表面安装有多个所述热敏传感器4和所述数字温度传感器5，当加热电路温度达到设定温度时，热敏电阻会与高侧电阻分压主动驱动所述继电器给所述PCB加热模块3断电，同时使能所述LDO9给所述MCU6供电，所述MCU6同时去再次关断所述继电器，另外也驱动所述MOS管7给所述主功能电路8供电，所述主功能电路8此时各部分芯片达到目标启动工作电压。

具体的，所述PCB加热模块3主要由PTC热敏电阻和电磁继电器2组成。

具体的，所述PCB加热模块3中的加热回流电路，设置为多个独立的加热通道。

具体的，所述加热通道设置的数量为两个。

具体的，所述电路系统中的温度检测电路包括如下步骤：

默认闭合的所述继电器U1上电后立即给所述PCB加热模块3上的覆铜区加热，使加热区域的待启动芯片温度达到芯片正常工作的温度，此时PCB板上的所述PTC热敏电阻R3随着温度的升高而变大，此时LTC3045电源1芯片的使能端电压为高，所述LDO9输出给所述MCU6供电，所述MCU6继而去驱动Q2，此时所述电磁继电器2通电，切断了给RL的供电。

具体的，在所述温度检测电路中，D14给所述电磁继电器2线圈提供回流路径，当Q2关闭时，U1的线圈需要一个续流的回流路径。

具体的，在所述温度检测电路中，依靠电路自身工作的热量来保证板卡工作，如果自身工作产生的热量不能维系各个芯片的所需温度，那么电路板上的多个所述温度传感器U3、U4、U5、U6会通过I2C接口反馈各个关键器件点附近的温度，然后所述MCU6根据自己的需求来关闭或者打开对应区域所述电磁继电器2，从而来调节板卡的温度。

具体的，所述PCB加热模块3上的自加热覆铜方式采用整面PCB板覆铜、“回”字型走线方式覆铜或“S”字型走线方式覆铜中的一种。

具体的，所述PCB加热模块3上的自加热覆铜方式采用“S”字型走线方式对PCB板进行覆铜来加热，出电流口靠近进电流口，经过换热之后，覆铜流道内的温度逐渐升高。

本发明的实施例还提供了如下技术方案：超低温环境下工业级芯片的工作电路系统的使用方法，采用上述所述的超低温环境下工业级芯片的工作电路系统；

基于电磁继电器2和PTC热敏电阻的超低温加热电路的工作原理如下：

默认闭合的电磁继电器2上电后立即给PCB板覆铜区加热，使加热区域的待启动芯片温度达到芯片正常工作的温度，同时 PCB板上的PTC热敏电阻随着温度的升高而变大，此时电源1芯片的使能端电压为高，该LDO9输出给MCU6供电，MCU6继而去驱动电磁继电器2切断了给加热电路的供电；

之后依靠电路自身工作的热量来保证板卡工作，如果自身工作产生的热量不能维系各个芯片的所需温度，那么电路板上的多个数字温度传感器5会反馈各个关键器件点附近的温度， MCU6根据自己的需求来关闭或者打开对应区域继电器，从而来调节板卡的温度。

而且本发明在进行使用设计时，还包括如下：

a、加热模块电路设计：

加热模块电路是超低温启动电路的重点，主要由PTC热敏电阻（图2为其特性曲线图）和电磁继电器2组成，其中电磁继电器2为国产厂家国营第八九一厂的JRW-210M，工作温度范围-65～125℃，体积也很小巧，保证了电路的稳定性。

b、PCB加热回流电路设计：

为了实现精准控制PCB不同区域的温度，在整个PCB上我们可以划分多个独立加热通道，如图7所示，此图中放置了两个加热通道，可以实现局部区域的精准温升控制。

c、温度检测电路：

其中加热模块的电路原理图如图3，默认闭合的继电器U1上电后立即给PCB覆铜加热，使加热区域的待启动芯片温度达到芯片正常工作的温度，此时图4中 PCB板上的PTC热敏电阻R3随着温度的升高而变大，此时LTC3045电源1芯片的使能端电压为高，该LDO9输出给图5中MCU6供电，MCU6继而去驱动Q2，此时电磁继电器2通电，切断了给RL的供电。需要指出的是D14是给电磁继电器2线圈提供回流路径的，当Q2关闭时，U1的线圈需要一个续流的回流路径，否则可能会损坏电路器件。

之后依靠电路自身工作的热量来保证板卡工作，如果自身工作产生的热量不能维系各个芯片的所需温度，那么电路板上的多个温度传感器（U3、U4、U5、U6）会通过I2C接口反馈各个关键器件点附近的温度，然后MCU6根据自己的需求来关闭或者打开对应区域继电器，从而来调节板卡的温度。

d、设计者根据实际情况来选择合适的PCB覆铜方式：

此外PCB自加热覆铜方式对整个加热效果起到很大的影响，覆铜方式大致有三种：

1）、整面PCB覆铜，这种方式适用在面积极小的PCB，对于面积大的应用，整个PCB覆铜内阻过小，要产生足够的热量，则需要很大的电流，不利于对电源1节能，温升也较慢。

2）采用“回”字方式走线来加热,微通道的电流入口在散热器的中间部位，而电流的出口则在PCB覆铜的侧面。由于中间部位很可能是电子器件发热比较集中的部位，电流入口设计在中间部位，而外部温度比中心温度低，这种方式的温度上升不均匀。

3）采用“S”字方式走线来加热，出电流口靠近进电流口，经过换热之后，覆铜流道内的温度逐渐升高，这种方式有利于促进整个模块的温度均匀。“回”字和“S”字走线如图 6所示。

因此，我们可以根据电路的实际情况来选择加热覆铜层的走线方式，如图7所示，不同形式的加热覆铜走线形式对PCB温升的影响；利用Flotherm仿真软件模拟环境温度-60℃时，对比两个不同形式的加热覆铜走线通道，分析不同走线方式对PCB温升的影响，从仿真结果可以证实采用“S”字方式走线可以更均匀快速的提升PCB某一局部温度，而“回”或者“口”字方式走线会出现温升较慢且不均匀的情况，因此我们设计电路的时候需要考虑核心器件的位置，通过仿真软件计算好相关参数，便可以设计出合理的加热覆铜走线电路。

图7从仿真验证结果可以验证通过给PCB板内层添加自加热覆铜走线，可以简单快捷的解决超低温环境下电路启动难的问题，从而大大提高了电路的可靠性。

工作原理：基于电磁继电器2和热敏电阻的超低温加热电路的工作原理如下所示：

默认闭合的继电器上电后立即给PCB覆铜加热，使加热区域的待启动芯片温度达到芯片正常工作的温度，同时 PCB板上的PTC热敏电阻随着温度的升高而变大，此时电源1芯片的使能端电压为高，该LDO9输出给MCU6供电，MCU6继而去驱动电磁继电器2切断了给加热电路的供电。

之后依靠电路自身工作的热量来保证板卡工作，如果自身工作产生的热量不能维系各个芯片的所需温度，那么电路板上的多个温度传感器传感器反馈各个关键器件点附近的温度，MCU6根据自己的需求来关闭或者打开对应区域继电器，从而来调节板卡的温度。

本发明的实施例可解决超低温（如低于-40℃）环境下，工业级电路无法工作的问题，有利于使用低成本方案提高电路适用环境范围，降低设计生产成本。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.超低温环境下工业级芯片的工作电路系统，其特征在于：

所述电路系统包括：电源、多个继电器、多个PCB加热模块、多个热敏传感器、数字温度传感器、MCU、MOS管、主功能电路和LDO；

当电路系统工作前，所述继电器默认处于闭合状态，所述继电器会接通所述电源和所述PCB加热模块内部的铜线路进行加热，在所述PCB加热模块内部铜线路的表面安装有多个所述热敏传感器和所述数字温度传感器，当加热电路温度达到设定温度时，热敏电阻会与高侧电阻分压主动驱动所述继电器给所述PCB加热模块断电，同时使能所述LDO给所述MCU供电，所述MCU同时去再次关断所述继电器，另外也驱动所述MOS管给所述主功能电路供电，所述主功能电路此时各部分芯片达到目标启动工作电压。

2.根据权利要求1所述的超低温环境下工业级芯片的工作电路系统，其特征在于：所述PCB加热模块主要由PTC热敏电阻和电磁继电器组成。

3.根据权利要求2所述的超低温环境下工业级芯片的工作电路系统，其特征在于：所述PCB加热模块中的加热回流电路，设置为多个独立的加热通道。

4.根据权利要求3所述的超低温环境下工业级芯片的工作电路系统，其特征在于：所述加热通道设置的数量为两个。

5.根据权利要求4所述的超低温环境下工业级芯片的工作电路系统，其特征在于：

所述电路系统中的温度检测电路包括如下步骤：

默认闭合的所述继电器U1上电后立即给所述PCB加热模块上的覆铜区加热，使加热区域的待启动芯片温度达到芯片正常工作的温度，此时PCB板上的所述PTC热敏电阻R3随着温度的升高而变大，此时LTC3045电源芯片的使能端电压为高，所述LDO输出给所述MCU供电，所述MCU继而去驱动Q2，此时所述电磁继电器通电，切断了给RL的供电。

6.根据权利要求5所述的超低温环境下工业级芯片的工作电路系统，其特征在于：

在所述温度检测电路中，D14给所述电磁继电器线圈提供回流路径，当Q2关闭时，U1的线圈需要一个续流的回流路径。

7.根据权利要求6所述的超低温环境下工业级芯片的工作电路系统，其特征在于：

在所述温度检测电路中，依靠电路自身工作的热量来保证板卡工作，如果自身工作产生的热量不能维系各个芯片的所需温度，那么电路板上的多个所述温度传感器U3、U4、U5、U6会通过I2C接口反馈各个关键器件点附近的温度，然后所述MCU根据自己的需求来关闭或者打开对应区域所述电磁继电器，从而来调节板卡的温度。

8.根据权利要求5所述的超低温环境下工业级芯片的工作电路系统，其特征在于：

所述PCB加热模块上的自加热覆铜方式采用整面PCB板覆铜、“回”字型走线方式覆铜或“S”字型走线方式覆铜中的一种。

9.根据权利要求8所述的超低温环境下工业级芯片的工作电路系统，其特征在于：

所述PCB加热模块上的自加热覆铜方式采用“S”字型走线方式对PCB板进行覆铜来加热，出电流口靠近进电流口，经过换热之后，覆铜流道内的温度逐渐升高。

10.超低温环境下工业级芯片的工作电路系统的使用方法，采用权利要求1-9任一项所述的超低温环境下工业级芯片的工作电路系统，其特征在于：

基于电磁继电器和PTC热敏电阻的超低温加热电路的工作原理如下：

默认闭合的电磁继电器上电后立即给PCB板覆铜区加热，使加热区域的待启动芯片温度达到芯片正常工作的温度，同时 PCB板上的PTC热敏电阻随着温度的升高而变大，此时电源芯片的使能端电压为高，该LDO输出给MCU供电，MCU继而去驱动电磁继电器切断了给加热电路的供电；

之后依靠电路自身工作的热量来保证板卡工作，如果自身工作产生的热量不能维系各个芯片的所需温度，那么电路板上的多个数字温度传感器会反馈各个关键器件点附近的温度， MCU根据自己的需求来关闭或者打开对应区域继电器，从而来调节板卡的温度。

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