電子產(chǎn)品偶發(fā)故障很尷尬，工程師該咋辦？

　　工作中，不少朋友，幾乎每位工程師，都遇到過電子產(chǎn)品在用戶現(xiàn)場偶爾發(fā)生故障，如死機、復(fù)位、數(shù)據(jù)傳輸錯誤等。維修工程師在現(xiàn)場跟蹤排查時，故障又不會再現(xiàn)，拿回實驗室，怎么試驗又都是好的。使人陷入一種無從下手的窘境。找到通用方法作為此類問題的解決思路，成了電子設(shè)計行業(yè)共同的問題。

　　自然科學(xué)領(lǐng)域的題目不容易解開的時候，束縛住了的思維難以突破，不妨跳出來，進(jìn)入到社會科學(xué)領(lǐng)域，通過哲學(xué)、通過思維方法論來找到突破口。朱清時說過“我通過化學(xué)科學(xué)的方法好不容易解決了一個問題，卻發(fā)現(xiàn)佛學(xué)早就在那個科學(xué)的頂峰等著我了”(本句話文責(zé)由朱清時老師負(fù)責(zé))。

　　那面對偶發(fā)故障的問題，一個解決它的方法論或許就是類聚原理。

　　在日常生活中，有一種說法叫“物以類聚，人以群分”，意指不是一類人不進(jìn)一家門。如果一個人很上進(jìn)，跟他朋友圈里的親密朋友基本也差不多都是上進(jìn)類型的。因此推斷一個陌生人是否上進(jìn)，看他周圍的朋友的狀態(tài)就可以了。如果他周圍的親密朋友都很成功了，那他即使現(xiàn)在不成功，離成功也不遠(yuǎn)了，起碼他的成功潛質(zhì)很大了。絕對的潛力股。如果是這樣一個相親對象，趕緊抓住他，絕對的低價原始股。

　　當(dāng)然，根據(jù)他的歷史推斷他的將來，也是有跡可循的，古人不是說“三歲看大，七歲看老”嘛，從他的現(xiàn)在看過去，從他的現(xiàn)在看未來，都是有一定道理的。雖然不敢肯定100%全對，但基本差不到哪里去的。關(guān)鍵是您也不是暫時沒有別的辦法了解他更多嘛。也只好死馬當(dāng)活馬醫(yī)嘍，更何況這批馬沒死停當(dāng)呢，還有得救。

　　同理，一個電子產(chǎn)品，它偶爾才發(fā)生故障，那您以為它不發(fā)生故障的時候，就會完全正常嗎?表面裝得再若無其事，測謊器根據(jù)其生理狀態(tài)的波動，也是能發(fā)現(xiàn)蛛絲馬跡的異常的。測謊儀的測量指標(biāo)是人的生理參數(shù)，那針對一臺曾經(jīng)發(fā)生過故障但現(xiàn)在正常的設(shè)備，測謊的指標(biāo)則是——波形。一是這臺設(shè)備正常工作時的波形質(zhì)量，就會有信號隱患的特征;二是同類設(shè)備也很可能會有信號波形或數(shù)據(jù)隱患能被測和分析出來。

　　有隱患的機器，即使從性能上看暫時都沒事，但其波形，也一定會有所偏差或波動或異常，只不過波形變異暫未超出導(dǎo)致設(shè)備工作異常的參數(shù)范圍而已。我們?nèi)y隱患機器未發(fā)生故障時的工作波形，分析波形里隱藏的信息密碼，就可發(fā)現(xiàn)問題的隱患和緣由。如下列舉部分波形異?，F(xiàn)象及其所對應(yīng)的潛在隱患問題。

　　在講波形異常及隱患分析之前，得先說清楚一個專業(yè)名詞——電壓容限。這是信號異常與否的關(guān)鍵。

　　對于數(shù)字電路(如圖1)，輸出器件的信號分別為高電平(用VoH表示)和低電平(用VoL表示)，這兩個電平的電壓都是一個允許的電壓范圍，只要在VoH范圍內(nèi)的輸出電平，都認(rèn)為是合理可接受的高電平，只要是VoL范圍內(nèi)的輸出電平，都認(rèn)為是合理可接受的低電平。同理，接收端能接受的高、低電平也是一個范圍，分別為VIH和VIL，不同的是，VoH和VIH、VoL和VIL并不是相等的電平，而是有一個電位差Δ，這里的Δ就是電壓容限。

　　數(shù)字電路里，我們所研究的器件參數(shù)選型計算、EMC、SI等技術(shù)措施，都是為了讓從輸出端發(fā)送出的電平信號，經(jīng)歷一系列的傳輸線纜衰減、空間輻射干擾耦合疊加、傳輸線信號反射、外界環(huán)境導(dǎo)致器件參數(shù)漂移、電源地線波動引起相對電平變化等等問題后，接收端所接到的信號電平，相對于輸出端電平，都沒超過Δ的允許波動范圍。滿足了這點，即便是有些外來干擾破壞，電路仍能照常工作。

　　圖1 數(shù)字電路電壓容限示意圖

　　對于模擬電路，也有一個電路精度要求，即電壓容限值±Δ%(圖2)，設(shè)計中所要控制的，就是在任何的波動干擾下，模擬輸出量都不能超出±Δ%的范圍。

　　圖2 模擬電路電壓容限示意圖

　　基于以上的理論基礎(chǔ)，下面列舉的就是常見的幾種波動和作用機理了。

　　1、電源或地線的電平波動厲害

　　VCC波動低了，大部分時候并沒超出Vcc的允差范圍Vccmin，但在現(xiàn)場條件組合應(yīng)力嚴(yán)重的時候，一下子給弄超了就可能造成誤觸發(fā)，刷寄存器或觸發(fā)不期望的功能。這時通過測量Vcc波形，就可能發(fā)現(xiàn)(如圖3)的波形，即使沒低到足以觸發(fā)問題的地步，但只要有類似癥狀，就有隱患，就必須在電源的穩(wěn)定上做文章了。必須確保電源的最大波動范圍距離臨界值很遠(yuǎn)才把握。

　　圖3

　　地線波動同理，可以通過測量地線上任意兩點之間的波形，正常情況應(yīng)該是一條基本接近于0V的平直線(如圖4中紅線)，如果出現(xiàn)了向上的尖峰(圖4紅圈)，則可能帶來風(fēng)險，因為地線上升，帶來的就是片選信號、reset信號等敏感信號的電位差下降，Vreset-Vgnd小于了某個臨界值，芯片就會當(dāng)成一個復(fù)位低電平輸入信號了。較常見的是給設(shè)備打+6000V靜電接觸放電時，地電平上被耦合或傳導(dǎo)進(jìn)去，極易引起復(fù)位就是類似道理。

　　圖4

　　2、數(shù)據(jù)傳輸速率與傳輸線器件特性參數(shù)匹配不良導(dǎo)致波形變異

　　正常情況下，因為數(shù)據(jù)線過長、線間電容、接收端輸入電容較大、導(dǎo)線上串入電阻較大、接收端輸入端口防護(hù)器件結(jié)電容等的影響，會導(dǎo)致形成(圖5)里的上圖黑色波形。在速率比較低的時候，數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_率是能保證的。但當(dāng)軟件工程師不管不顧地加快數(shù)據(jù)傳輸速率時，會導(dǎo)致上升沿還未沖到接收端的電壓容限值下端VHmin時，就不得不因為周期問題而走下坡路了，形成圖5上圖中的紅色波形部分，最高點低于了VHmin值，接收端自然就讀不到數(shù)據(jù)了。如果就是所有的都不正常了倒還好查找了，最擔(dān)心的是處于導(dǎo)致波形在正常與非正常之間的傳輸速率臨界點，就可能在現(xiàn)場偶發(fā)傳輸數(shù)據(jù)錯誤了?？赡艿默F(xiàn)象是把導(dǎo)線剪短點、或換個小點的電阻值、或者拆掉個電容、或減少個終端，數(shù)據(jù)就會好了。

　　圖5

　　3、波形出現(xiàn)回勾

　　回勾的波形如(圖6)，它的形成是因為導(dǎo)線有高頻特性，可理解為小電感和小電阻的串聯(lián)，而數(shù)字電路輸入端口，又可以理解成一個Pin-Gnd的對地電容，以及一個輸入跟隨器特性，走線的特性和器件的輸入等效特性合并在一起，就有了如圖6的電路特性圖。V4給出10MHz方波信號，右圖上5點就可以測得接收左圖回勾變異波形。

　　本實例雖然有回勾，好在回勾部分在上升沿時并未穿越VHmin限值，下降沿時也未觸發(fā)VLmax限值，因此不至于引起信號質(zhì)量問題。但如果導(dǎo)線特性參數(shù)和器件輸入特征參數(shù)有變，導(dǎo)致回勾特性的上升沿上移了，或下降沿的回勾下降了，危險豈不大哉?

　　圖6

　　按說寫到這里，這個類聚原理的道理應(yīng)該能說明白了。但是還有好幾個常見的類似波形質(zhì)量隱患問題，所以還是捺著性子寫下去吧…

　　4、波形出現(xiàn)臺階(圖7)

　　有時，我們會測量到(圖7)或(圖8中間圖)中間平臺形狀的波形，這種是由容性負(fù)載與布線聯(lián)合作用引起的。這種波形的危害在于，有的接收器件，接收到信號后，判別上升沿的方式是通過對上升沿作微分，然后根據(jù)微分后的尖峰閾值判讀是否為上升沿。如果中間出現(xiàn)了平臺，微分電路則會導(dǎo)致出現(xiàn)兩個有一點時間間隔的尖峰。如果兩個尖峰都很高，則會導(dǎo)致重復(fù)誤觸發(fā);如果都低，則會無觸發(fā);這兩種情況都導(dǎo)致錯誤。

　　(圖8上圖)為源端輸出波形，是標(biāo)準(zhǔn)的方波;(圖8下圖)為導(dǎo)致(圖8中圖)平臺波形的電路結(jié)構(gòu)。該圖為仿真效果。

　　圖7

　　圖8

　　5、波形有過沖

　　波形里常有過沖現(xiàn)象，如(圖9)。如果振蕩幅度不夠大，不會經(jīng)過VHmin和VLmax的限值，則萬事皆無。但如果振蕩的幅度超出了VHmin和VLmax的臨界值，則可能會產(chǎn)生誤觸發(fā)，因為很多芯片是以上升沿中過VHmin的電平躍變做為上升沿觸發(fā)信號，如果越界了，則有造成2次上升沿觸發(fā)的風(fēng)險。

　　導(dǎo)致這條曲線特征的是信號線或地線的走線感性特性與線間電容、器件輸入電容、PN結(jié)電容等相互作用的結(jié)果。地線上的類似衰減性振蕩波動術(shù)語叫“地彈”。

　　圖9

　　6、電壓跌落

　　電源線上有串電感或電容了，電源啟動、負(fù)載啟停的瞬間，因為電感的反向電動勢、容性負(fù)載大電流導(dǎo)致的電源瞬間塌陷，都會有電源瞬間跌落的風(fēng)險。如(圖10)。這個波形在負(fù)載突然啟動或突然掉點馬上又上電的時候可能會發(fā)生。如果幅度大了，掉電的時間長了，極可能就有復(fù)位、刷E2存儲器、誤觸發(fā)等風(fēng)險了。

　　圖10

　　以上描述了幾種常見的可能導(dǎo)致電路工作異常的變異波形，其故障作用機理理解了僅僅是改善的第一步，下一步還需要理解是什么設(shè)計問題導(dǎo)致了這些波形的產(chǎn)生，是哪些特性參數(shù)影響到了變異波形的哪個參數(shù)?通過設(shè)計改善哪一點才能使這些變異不再發(fā)生或不至于導(dǎo)致問題成為顯性故障?這些都是未來的文章里要討論的問題。

　　簡單總結(jié)：就是遇到偶發(fā)故障問題產(chǎn)品了，即使手頭沒有該故障產(chǎn)品，或者有也激發(fā)不出問題來的時候，您就找完全相同設(shè)計的產(chǎn)品，查找懷疑器件的信號波形，如果都是特標(biāo)準(zhǔn)的波形，那就先暫時放過，如果稍有異常，就把它記錄下來，隨后仔細(xì)分析這些異常如果再大一點的話，有沒有可能觸發(fā)現(xiàn)場的偶發(fā)故障，如果是，那就針對這個異常波形改進(jìn)設(shè)計，改進(jìn)好了，讓它遠(yuǎn)離激發(fā)故障的電平臨界值了，偶發(fā)故障基本就很可能被根除了。這種原理就是類聚原理。由“一個大壞蛋的同伙至少一定也是個小壞蛋”的道理推演而來。

　　也許會有人問了，這么個有用的方法，這么有實際指導(dǎo)意義的原理，誰發(fā)現(xiàn)的呢?告訴您吧，是我!那名字為什么起類聚原理而不是群分原理或其它的名字呢?嘿嘿，瞎起的!希望對您有用就好。