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

　　一陣電話鈴聲響起，快來辦公室開會(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)送過來)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例

　　首先來看一個(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ZLG工程師反復(fù)測(cè)試正常，“有問題的芯片”經(jīng)過原廠測(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?？蛻粢辉?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)象來尋找下原因，即便用他寄過來的實(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。

　　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

　　圖1 NCP803上下電時(shí)序圖

　　上電過程中當(dāng)VCC電壓大于閾值電壓VTH+時(shí)會(huì)經(jīng)過一段穩(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：

　　?供電VCC電壓不穩(wěn)定或電壓值偏低;

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

　　?NCP803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)試來確定問題所在，此時(shí)需要用示波器來測(cè)量供電VCC和復(fù)位輸出的電壓波形來分析，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，而是用萬用表簡(jiǎn)單測(cè)量了下電壓值且電壓值無異常而誤認(rèn)為電壓沒有問題。

　　接下來我們就在客戶的實(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。

　　圖2 NCP803上下電實(shí)測(cè)

　　通過分析板子實(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。

　　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。

　　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，芯片本身損壞的概率微乎其微，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，切不可單單用萬用表簡(jiǎn)單測(cè)試下電壓值，因?yàn)槿f用表的刷新速度慢，無法測(cè)試出實(shí)際電壓波形值，只能測(cè)得平均值，不能說明情況。此案例也說明電源參數(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)來抑制紋波。