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最近同事出差到西北。設備是室外工作，環(huán)境溫度低至-22℃

 

我們長期南方生活的人可能沒有概念，-22℃時候，網(wǎng)線的外皮變脆，一捏就碎了。有部分設備出現(xiàn)無法啟動的問題。

 

電子設備在低溫環(huán)境下啟動失敗可能由以下幾個方面引起。以下是常見原因及相應的排查思路：

 

1. 電池或電源問題

 

原因：

 

電池在低溫環(huán)境下放電能力降低，內阻增大，可能導致設備供電不足。

 

電源管理電路無法正常啟動或供電電壓偏低。

 

我們設備采用鋰電池，鋰電池在低溫時候放電能力急劇下降。鋰電池的電解液負責鋰離子的傳導，在低溫下，電解液的粘度會增加，甚至可能部分結晶化，導致鋰離子的遷移率顯著下降。這種傳輸能力的降低會直接影響電池的內阻增大，使得電池的放電能力減弱。

 

解決措施：

 

使用低溫性能優(yōu)異的電池（如鋰亞硫酰氯電池或特殊鋰離子電池）。

 

測試供電電路在低溫環(huán)境下的輸出是否穩(wěn)定，必要時優(yōu)化電源設計。

 

增加加熱器或電池保溫措施。

 

我們先定位問題，由于是室外移動設備。我們采取給懷疑的電源模塊貼暖寶寶的方式，看能否改善，先鎖定聚焦具體的問題點；同時在杭州實驗室用高低溫溫箱同步實驗，看電源模塊是否有問題。

 

 

 

2. 電容器特性退化

 

原因：

 

常規(guī)電解電容器在低溫下等效串聯(lián)電阻（ESR）增加，導致濾波效果變差。

 

 

 

陶瓷電容的溫度特性可能使電容值下降。

 

解決措施：

 

替換為寬溫度范圍（如 -55°C 至 +125°C）的低溫專用電容器。

 

優(yōu)化電源濾波電路以適應低溫特性。

 

增強電容濾波特性，增加設計余量，考慮低溫情況下，電容容值和ESR變化帶來的影響，以及選擇更大容值，或者更低ESR電容。

 

3. 振蕩電路啟動失敗

 

原因：

 

晶體振蕩器在低溫下起振困難或頻率漂移。

 

晶體參數(shù)與電路不匹配，導致低溫下的振蕩裕度不足。

 

解決措施：

 

使用寬溫晶體振蕩器或增加起振電路的裕度。

 

在低溫環(huán)境下測量振蕩信號，并調整匹配電容值。

 

4. 半導體器件性能下降

 

原因：

 

半導體器件的閾值電壓隨溫度變化，低溫下可能導致MOSFET或BJT無法正常導通。

 

放大器的偏置點可能偏移，導致工作點異常。

 

解決措施：

 

選擇適合低溫工作的半導體器件（標明工作溫度范圍）。

 

調整電路設計，確保器件在低溫下的工作點正常。

 

這種情況是比較多大。

 

二極管的低溫特性

特性變化：

正向壓降增大：

 

二極管的正向壓降（Vf）隨溫度降低而增加，每降低 1°C，典型值增大約2−2.5 mV。

 

在低溫下，正向壓降過高可能導致電路無法正常導通。

 

反向漏電流減?。?/span>

 

低溫會降低少子濃度，反向漏電流顯著減小，有利于減小反向功耗。

 

 

 

 

針對這個特性來說，高溫容易出問題。

 

開關速度變化：

 

開關速度可能受影響，尤其是高速肖特基二極管，因載流子存儲效應變慢。

 

解決措施：

選擇正向壓降更低的器件（如低溫特性更好的肖特基二極管或快速恢復二極管）。

 

增加電路的驅動裕量，確保二極管在低溫下仍能導通。

 

驗證開關頻率與二極管的反向恢復時間匹配。

 

三極管（BJT）的低溫特性

 

特性變化：

增益變化：

 

三極管的直流增益（hFE）在低溫下減小，這是由于少子壽命縮短導致的。

 

低增益可能導致放大器性能下降，或開關電路驅動不足。

 

V_BE 電壓升高：

 

基-射極電壓（VBE）隨溫度降低而增加，約2 mV/°C

 

如果驅動電壓不足，可能導致器件無法完全導通。

 

飽和電壓降低：

 

VCE(sat)（飽和壓降）通常會降低，有利于開關損耗減小。

 

解決措施：

調整偏置電阻值或選擇寬溫增益穩(wěn)定的器件。

 

增加驅動電壓裕量以應對VB 增高問題。

 

對開關電路，測試是否在低溫下仍能進入完全飽和狀態(tài)。

 

MOSFET 的低溫特性

特性變化：

閾值電壓Vth增加：

 

MOSFET 的開啟閾值電壓Vth 隨溫度降低而增加，這可能導致低柵壓驅動的電路無法導通。

 

導通電阻RDS(on)減?。?/span>

 

低溫下載流子遷移率增加，使RDS(on)減小，導通損耗降低。

 

開關特性變化：

 

柵極電容的特性可能隨溫度改變，影響開關速度。

 

雪崩耐量提高：

 

在低溫下，MOSFET 的雪崩電流能力（耐壓能力）通常增強。

 

解決措施：

選擇閾值電壓較低的 MOSFET（如適合低溫工作的邏輯級 MOSFET）。

 

測試柵極驅動能力是否足夠，以確保 MOSFET 在低溫下能完全開啟。

 

針對高速開關電路，優(yōu)化驅動電路的電容匹配。

 

5. 機械與連接問題

 

原因：

 

熱膨脹/收縮效應導致機械連接松動或接觸電阻增大。

 

PCB設計中，某些焊點在低溫下產(chǎn)生微裂紋，導致接觸不良。

 

解決措施：

 

檢查和優(yōu)化PCB工藝，確保焊點質量。

 

使用寬溫范圍的連接器或焊接材料。

 

6. 軟件/固件啟動邏輯問題

 

原因：

 

系統(tǒng)在低溫下的時序或復位邏輯異常，可能是由時鐘源或電源穩(wěn)定性引起。

 

低溫下 ADC 或其他關鍵傳感器讀取值異常，導致錯誤判斷。

 

解決措施：

 

調整初始化邏輯，增加對關鍵時序的監(jiān)控和恢復。

 

校準溫度傳感器，增加低溫下的異常檢測和容錯機制。

 

7. 其他外部因素

 

原因：

 

冷凝水或霜凍短路電路。

 

低溫導致材料變脆，可能引發(fā)機械損壞。

 

解決措施：

 

在低溫環(huán)境下進行防潮設計，如涂覆防護漆。

 

對設備進行嚴格的低溫機械性能測試。