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嵌入式硬件設(shè)計(jì)01-電源紋波引發(fā)的產(chǎn)品反復(fù)重啟

2018-04-18

  一陣電話鈴聲響起,快來(lái)辦公室開會(huì),硬件工程師,軟件工程師,銷售被老板叫到辦公室開會(huì)。銷售人員激動(dòng)大喊:老板,發(fā)出去的產(chǎn)品出現(xiàn)很多不穩(wěn)定,客戶要求馬上到現(xiàn)場(chǎng)解決,否則后果嚴(yán)重!工程師們瑟瑟發(fā)抖,天天擔(dān)心出問題,誰(shuí)知又有岔子,這個(gè)月獎(jiǎng)金要泡湯了。不少工程師遇到這種場(chǎng)景,排查后發(fā)現(xiàn)多半是電源不穩(wěn)定引起的。問題防不勝防,如何輕松搞定設(shè)計(jì),避免產(chǎn)品現(xiàn)場(chǎng)安裝出問題呢?

  ZLG技術(shù)研發(fā)中心總結(jié)10多年客戶以及自己遇到的“難題”,精心準(zhǔn)備了12篇嵌入式硬件電源設(shè)計(jì)方面的技術(shù)文章,和讀者一起探討嵌入式硬件電源設(shè)計(jì)方面的注意事項(xiàng)。今天以一例電源不穩(wěn)定引發(fā)的產(chǎn)品問題作為開篇,以饗讀者。正文:(字?jǐn)?shù)控制在800-3000字,請(qǐng)將原始配圖放在文件夾內(nèi),隨文檔一起打包發(fā)送過(guò)來(lái))現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例

  首先來(lái)看一個(gè)案例,某電梯公司的外呼板項(xiàng)目采用了ZLG的復(fù)位監(jiān)控芯片NCP803,用來(lái)監(jiān)控主控供電,剛開始的測(cè)試中系統(tǒng)一切正常,使用一段時(shí)間就會(huì)少量產(chǎn)品偶爾出現(xiàn)復(fù)位引腳一直輸出低電平的現(xiàn)象,導(dǎo)致系統(tǒng)一直處于復(fù)位狀態(tài),并且只有重新斷電上電后才能恢復(fù)正常,ZLG FAE親自前往現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)確實(shí)有此現(xiàn)象產(chǎn)生,用萬(wàn)用表測(cè)試供電電壓正常。客戶據(jù)此懷疑是電源監(jiān)控芯片的質(zhì)量問題,要求我們會(huì)同原廠給出測(cè)試報(bào)告。然而,客戶所謂“有問題”的產(chǎn)品,經(jīng)過(guò)ZLG工程師反復(fù)測(cè)試正常,“有問題的芯片”經(jīng)過(guò)原廠測(cè)試分析后給出的報(bào)告,芯片完全正常。

  至此,事情出現(xiàn)僵局,問題卻沒解決。客戶一再?gòu)?qiáng)調(diào)自身電源設(shè)計(jì)非常成熟,絕不會(huì)有問題。ZLG應(yīng)客戶要求再次做實(shí)驗(yàn):根據(jù)客戶描述的情況,復(fù)原現(xiàn)象來(lái)尋找下原因,即便用他寄過(guò)來(lái)的實(shí)物做頻繁上下電測(cè)試,也沒有出現(xiàn)那個(gè)問題。NCP803屬于量產(chǎn)N多年的芯片,芯片本身出問題的概率是微乎其微,但為了測(cè)試的嚴(yán)謹(jǐn)性,我們還是實(shí)測(cè)了下芯片功能參數(shù)。

  首先,我們來(lái)分析一下這一系列復(fù)位芯片功能特點(diǎn),好讓大家對(duì)后續(xù)的案例分析有一定的了解。如表1所示。

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  表1 復(fù)位監(jiān)控芯片功能

  以上器件都屬于同一系列的,只是復(fù)位輸出不太一樣,都不支持看門狗和手動(dòng)復(fù)位,所以其功能特別簡(jiǎn)單,僅僅監(jiān)控MCU供電的電平及穩(wěn)定性來(lái)控制復(fù)位的輸出。如圖1所示是復(fù)位監(jiān)控芯片的功能時(shí)序圖

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  圖1 NCP803上下電時(shí)序圖

  上電過(guò)程中當(dāng)VCC電壓大于閾值電壓VTH+時(shí)會(huì)經(jīng)過(guò)一段穩(wěn)定時(shí)間tRP后使復(fù)位輸出為高電平(并且在這段時(shí)間內(nèi)VCC復(fù)位MCU運(yùn)行。

  掉電過(guò)程中當(dāng)VCC電壓大于閾值電壓VTH-時(shí),復(fù)位輸出會(huì)立即下拉到低電平使MCU停止運(yùn)行程序。

  根據(jù)對(duì)復(fù)位監(jiān)控芯片的原理分析和客戶實(shí)際的狀況可以推出可能由以下情況出現(xiàn)問題:

  l供電VCC電壓不穩(wěn)定或電壓值偏低;

  l客戶的MCU芯片復(fù)位管腳損壞強(qiáng)行將復(fù)位一腳拉低;

  lNCP803異常損壞導(dǎo)致;

  在正常測(cè)試時(shí)就應(yīng)該首先進(jìn)行第一步測(cè)試來(lái)確定問題所在,此時(shí)需要用示波器來(lái)測(cè)量供電VCC和復(fù)位輸出的電壓波形來(lái)分析,看是否VCC電壓不穩(wěn)定造成的影響。但是由于現(xiàn)場(chǎng)并沒有示波器,而是用萬(wàn)用表簡(jiǎn)單測(cè)量了下電壓值且電壓值無(wú)異常而誤認(rèn)為電壓沒有問題。

  接下來(lái)我們就在客戶的實(shí)物板子上測(cè)試了下復(fù)位芯片的上下電波形圖,如圖2所示是在客戶板子上實(shí)測(cè)NCP803上下電時(shí)復(fù)位芯片的VCC(綠色線)和復(fù)位(黃色線)輸出波形。

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  圖2 NCP803上下電實(shí)測(cè)

  通過(guò)分析板子實(shí)測(cè)波形圖可以看出芯片功能完全正常,并且各參數(shù)都在手冊(cè)標(biāo)定的范圍內(nèi),所以可以確定芯片絕對(duì)是沒問題的。

  接下來(lái)我們懷疑客戶電源設(shè)計(jì)有問題:強(qiáng)烈建議ZLG FAE到客戶現(xiàn)場(chǎng)用示波器測(cè)試問題產(chǎn)品的電源和復(fù)位的波形。

  當(dāng)FAE再次來(lái)到客戶現(xiàn)場(chǎng),使用示波器測(cè)量時(shí)有了重大發(fā)現(xiàn),如圖3下就是在客戶現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的復(fù)位波形圖,探頭2所示是復(fù)位波形,可以看到復(fù)位信號(hào)忽高忽低,明顯發(fā)生異常。

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  圖3 復(fù)位測(cè)試波形

  由于復(fù)位引腳的輸出和供電有關(guān),所以懷疑是VCC供電端異常,接下來(lái)繼續(xù)測(cè)試供電VCC的波形。如圖4所示是供電VCC的波形,可以看出VCC的波形紋波特別大約有1V,由于芯片的閾值電壓是3.08V,小于此值的時(shí)候芯片會(huì)復(fù)位輸出,所以可以確定原因是VCC供電不穩(wěn)導(dǎo)致的。這也就是為什么復(fù)位芯片的復(fù)位管腳會(huì)忽高忽低。

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  圖4 供電波形測(cè)試

  隨后用了穩(wěn)定的電源供電就沒在發(fā)生此現(xiàn)象了,最終的原因是客戶前端的12V轉(zhuǎn)3.3V的DC-DC開關(guān)電源輸出的電壓紋波特別大導(dǎo)致的,建議客戶修改電感值后,電壓紋波干擾有了明顯的改善,客戶比較滿意此次的測(cè)試結(jié)果,并且承認(rèn)不是復(fù)位監(jiān)控芯片出的問題。

  總結(jié):

  對(duì)于此類復(fù)位監(jiān)控芯片出現(xiàn)的異常,大部分都是使用者的供電電壓出現(xiàn)問題而導(dǎo)致的,芯片本身?yè)p壞的概率微乎其微,碰到這類現(xiàn)象只需用示波器將各處的電壓波形測(cè)試一下就能很容易發(fā)現(xiàn)問題,切不可單單用萬(wàn)用表簡(jiǎn)單測(cè)試下電壓值,因?yàn)槿f(wàn)用表的刷新速度慢,無(wú)法測(cè)試出實(shí)際電壓波形值,只能測(cè)得平均值,不能說(shuō)明情況。此案例也說(shuō)明電源參數(shù)設(shè)計(jì)的重要性,特別對(duì)于DC/DC,優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換效率高,缺點(diǎn)是紋波大,需要選擇合適的電感參數(shù)來(lái)抑制紋波。


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