部分运用要求电子产品运转的温度高于该器材规则的最高作业结温。油井摄像头规划便是一个很好的比如。
任何电子器材的运用寿命均取决于其作业温度。在较高温度下器材会加快老化，运用寿命会缩短。但某些运用要求电子产品作业在器材最大额定作业结温下。以石油天然气工业为例来阐明这个问题以及解决方案。
一位客户恳求咱们 Aphesa 的团队规划一款可以在油井中作业的高温摄像头（如图 1 所示）。该器材要求运用相当大的 FPGA 并且温度要求至少高达 125℃——即体系的作业温度。作为一家开发定制摄像头和包含 FPGA代码及嵌入式软件在内的定制电子产品的咨询公司，咱们在高温作业条件方面具有丰厚的经历。但就这个项目而言，咱们还得多花些精力。
该产品是一种用于油井查看的井下双色摄像头（如图 2 所示）。它能履行嵌入式图画处理、颜色重构和通讯。该体系具有存储器、LED 驱动器和高动态规模 （HDR） 成像功用。针对该项目，咱们挑选运用赛灵思供给的 XA6SLX45 器材（Spartan®-6 LX45 车用器材），由于它具有广泛的作业温度规模、稳健牢靠、封装尺度小、具有大型嵌入式存储器和很多单元。
该项目十分具有挑战性，也有很多趣味。下面介绍咱们怎么完结该项目，首要回忆一下温度的部分概念，包含结温、热阻和其他现象。咱们将了解器材中温升的原因并列出咱们的解决方案。咱们还将应对或许的热门问题并提出相应的解决方案。
在这个特定项目中，热电冷却办法的运用受限，咱们不得不寻觅其他解决方案。
温度改变
电子器材通常会指定最大结温。但令人遗憾的是体系规划人员关怀的是环境温度。环境温度和结温的差异将取决于封装传递热量的才能以及冷却体系将该热量散出体系机箱的才能。
热阻是一个热特点，也是衡量给定资料阻止热量活动的起伏的目标。由于热阻的存在，暖流经过的组件的内外侧温度会有差异，正如电流的存在构成电阻两头的电压不同。对机身内外侧温差 20℃ 的状况，最大结温为 125℃ 的器材可以在高达 105℃ 的环境下作业。热阻的表达办法是℃/W，即耗散 1W 热量时内侧和外侧的温差即为热阻。热阻是一种热特点，用来衡量给定资料阻止热量活动的起伏，这一联系以公式表明即为图 3 所示。
耗散的热能取决于器材、电路、时钟频率和运转在器材上的代码。器材内部（结温）和地点环境（环境温度）之间的温差因而取决于器材、代码和作业原理图。
常用冷却解决方案
在大多数规划中需求冷却的当地，规划人员运用无源冷却（散热器经过增大空气触摸外表，协助将热量散发到空气中）或运用有源冷却。有源冷却解决方案一般经过强制气流，协助替换用于吸收器材上热量的冷空气。空气吸收热量的才能取决于空气与器材之间的温差以及空气的压力。其他解决方案包含液体冷却，用液体（一般是水）替代空气，可完成更高的散热功率。空气或流体吸热的才能由图 4 给出的热吸收等式决议。规划人员常常运用的终究办法是热电冷却，即凭借珀尔帖效应 （Peltier effect）（经过在衔接到半导体样品的两个电极间施加电压来构成温差）来冷却冷却板的一侧，一起加热另一侧。尽管这一现象有助于把热量从待冷却的器材上带走，但珀尔帖冷却有存在另一大晦气因素：它要求很多的外部功耗。
在咱们的事例中，气流不是解决方案，由于机箱中的空气数量有限，空气温度会敏捷到达均衡。水冷也不或许，由于水源和东西之间间隔很长。因而对咱们而言，珀尔帖效应是仅有的冷却解决方案。由于环境温度是固定的（咱们不能像图 3 的公式相同为很多液体加热），热电效应冷却器实践上会下降电子产品的温度。令人遗憾的是，由于冷却设备需求大电流，并且需求用超长的导体将外表与东西相连，实践上只需有限的电流可用于冷却，并且只能完成较小的温差。
此外，由于咱们的设备是一个摄像头，画质会随温度升高急剧下降。因而咱们有必要优化咱们的冷却战略，尽量为图画传感器下降温度，而不是 FPGA、存储器、LED 驱动器或电源电路下降温度。
由于珀尔帖效应只能挑选用于冷却图画传感器，用于冷却 FPGA 简直没有或许，所以咱们仅有的挑选是下降FPGA 内的峰值温度。
热门的原因
和不断上升的温度在数字器材中有三个功耗来历：动态、静态和焦耳效应。动态功耗是在门触发时用于为走线电容充放电而耗费的电力。它与时钟速率和总%&&&&&%巨细成正比。静态功耗是器材类型、中心电压和技能的函数。该功耗因内核或 I/O 的耗电而产生。
当热量在空间中的某一点产生时，它将向周边传递，导致周边区域升温。假如周边区域不是热源，则热量会散开，温升有限。只需等上满足长的时刻，温度终究会在整个器材中均衡化。假如周边区域是其他热源构成的，由于每个热源都会给另一个热源带来热量，温度就会净增加。
假如许多热源会集在一小块面积上，则这个面积的温度会上升得比其他当地快，导致热门产生。
由于器材的结温受限，实践上最热门的温度不该超越最大结温。在知道器材的功耗和封装的温度后，一切咱们能估量的均匀结温。
终究一个热源与电流在导体中活动产生的焦耳效应有关。
假如超越最高温度会产生什么状况？
跟着作业温度升高，器材的运用寿命会下降，部件会老化得更快。某些老化进程，如电搬迁和电腐蚀只会在较高温度下产生。电搬迁产生在有湿气和电场存在的条件下。此刻导体的原子会以离子形状从他们的初始方位移动，在别的的当地复位，留下一个空地。这个空地会减小该方位导体的有用宽度，构成该方位电场增强，然后诱发更多的电搬迁。这种链式反应会在原子移走的方位导致裂隙（开路）或在原子重定位的当地导致短路（树突）。为数不多的几层水分子足以引发金属的离子化进程，触发电搬迁。这一现象会跟着温度升高显着严峻化。
像铁生锈这样的腐蚀现象触及湿气和有害气体。半导体资料关闭在其保护性封装中。这种封装一般对湿气有高吸收性，但制作所用的资料不会容易地产生腐蚀性离子溶液。这种腐蚀大多数状况下会给引线框和封装接线构成晦气影响。最重要的有害资料是硅钝化层中所含的磷，以及半导体制作工艺或封装工艺所残留的部分污染物。在运送、焊接和安装进程中触摸人体皮肤和其他化学品是导致污染的有害原子的其他或许来历。
当异质资料衔接在一起时，较廉价的资料相关于较贵的资料容易产生腐蚀（电化腐蚀）。这类型的腐蚀是随时刻推移功能下降的又一个原因。
在超越结温温度的状况下，无法保证器材的运用寿命，或许会大起伏缩短。假如温度持续增加，该器材或许会当即失效。
器材的功能也取决于速度。器材在较高温度下速度会下降，因而它们的最大时钟速率会下降。
之所以把 Spartan-6 XA（轿车级）FPGA 的最高温度限定为 125℃ 是出于最低运用寿命要求（牢靠性考虑）和有保证的时钟频率才能（功能要求）。其他原因包 RAM 单元漏电和因这种漏电构成的位过错。
多种解决方案
为战胜咱们的油井摄像头规划的各类难题，咱们施行了多种解决方案。
其间最重要的决议之一是挑选巨细适宜的器材。越大型的器材的静态功耗越大，但有利于器材的散热，防止构成热门。经认证用于轿车用处的器材即便在高温下也具有较长的运用寿命，因而关于运用寿命要求不高的工业运用而言，更是一款适宜的解决方案。咱们现已评价了 XA（车用）系列的 LX25 和 LX45 器材免温度周期进程中产生板层别离问题中的代码并丈量了器材壳体的总功耗和温度。有时假如峰值温度较低，进步器材均匀温度也可接受。咱们还在加快老化测验中评价了运用寿命。
咱们的下一个规划挑选是为器材运用设定约束。为削减器材耗散的热量，咱们尽或许地防止运用逻辑单元和存储器。器材未运用得到部分会耗费静态功耗，但不会耗费动态功耗。
咱们还施加了时钟门控。由于动态功耗取决于时钟速率，咱们可以运用时钟门控抵消未被运用的模块的动态功耗。假如时钟树未触发，器材该部分的功耗就会下降。
咱们还可以将咱们运用的 I/O 数量保持在最低水平。这样也可以下降 I/O 模块的功耗。
因而，经过把部分 I/O 用作虚地，咱们缩短了器材内部电流的传输间隔，然后下降了电源走线的焦耳效应。虚地也有助于把热量传递到地上。
由于咱们不想运用一切的 I/O 和一切的逻辑单元，咱们挑选把这个规划散布到两个 FPGA 上（图 5）。这样就可以让热量在两个独自的方位耗散。
咱们还运用多个接地上。这一技巧有助于把热量从温度较高的当地向温度较低的当地传递，并供给额定的热容量。为开发板的牢靠性起见，在规划热平面时应考虑避。
一个重要过程是优化咱们的代码以
下降时钟速率。下降时钟速率可以下降功耗，但也可以让器材在更高的温度下运转。作为比如，咱们评价了慢速并行规划和快速流水线化规划之间的权衡取舍。
为提高规划功能，咱们保证在终究安装前枯燥各个组件并掩盖一层能抵挡湿气的保护层。另在高温下器材会老化得更快。可以运用产品认证来衡量规划的器材实践运用寿命随温度改变状况。
咱们也在生产中选用老化流程来预老化器材，移除那些老化速度看似比其他部件更快的部件（前期失效），然后只保留下最好的部件。
对咱们的规划流程相同重要的是运用尽管按标准其结温不得超越 125℃。此外咱们还努力做到了无需热电冷却也能在 125℃ 下正常运转。
以康复或至少检测存储器单元中或通讯中的位过错。假如状况机以未运用的状况完毕，也可以康复。
咱们发现在展开咱们的规划时运用赛灵思功耗预算器 （XPE） 是杰出的初步。TVivado® Design Suite 为选用较新式的器材的规划供给功耗预算东西。不过丈量实在器材上的功耗和比较不同版别的代码经证明是最理想、最精确的做法。
非热电冷却
归纳运用上述技巧，循环冗余查看 （CRC） 和其他类型的过错检测和纠正办法。咱们在规划里的各个方位运用这些技巧，咱们得到了一款可以作业在 125℃ 环境温度下且具有 SDRAM 办理、通讯总线和图画处理才能的摄像头
