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作者：merlin07 看了這個題目，我估計許多人都會有在手邊劃拉找板兒磚臭雞蛋的沖動。這年頭兒連撿破爛兒的口袋里興許都揣個手機(jī)，難不成還會有誰不會開電源？ 別誤會，我當(dāng)然不是問你會不會按開關(guān)扳電鈕。我是問：作為一個設(shè)計師，你了解一個系統(tǒng)的加電過程，和如何保證正確加電嗎？ 這樣問，我估計還會有人撇嘴。“這有什么，不就是保證那些參數(shù)：輸出電壓，負(fù)載電流，波紋系數(shù)，轉(zhuǎn)換效率，開關(guān)噪聲 。。。”。 沒錯，這些都是設(shè)計過程中必須考慮到問題，也都很重要 。。。但是，還有嗎？ 按照上面說的那些參數(shù)考察一個電源設(shè)計，好象是到一個餐館點(diǎn)菜吃飯。你按自己的口味點(diǎn)菜，后面廚房按單下鍋，服務(wù)員端菜上來，你就可以抄起筷子品酸甜苦辣了。可是，如果有人告訴你，剛才服務(wù)員上菜時，端著盤子在走廊摔了個跟頭，你會有什么反應(yīng)？還想往下品嗎？ 隨著電子設(shè)備復(fù)雜程度的提高，對電源的要求也越來越高。前面提到都是電源系統(tǒng)在穩(wěn)定狀態(tài)下的指標(biāo)，當(dāng)然很重要。但是在很多情況下，電源的動態(tài)特性也很重要，甚至可以說更重要。保證不了這個要求，有時就要有麻煩。 不信？我有現(xiàn)成的例子。當(dāng)然，還是拿我自己說事兒。 C公司，路由器設(shè)計。背景還是那些，就不廢話了。與前面的故事不同的是，這是我到C公司后的第一個設(shè)計，也是到目前為止最大的一個設(shè)計。板子的大小幾乎相當(dāng)一塊中型的切菜板。１０A以上電流容量的電源有好幾路。電路圖多達(dá)一百多頁。PCB板層數(shù)達(dá)到３２層，其厚度已經(jīng)接近一些過孔安裝器件的管腳長度所能接受的極限。 這樣規(guī)模的一個設(shè)計，放在剛剛離開的N公司，起碼要兩到三個人干。可在這兒，就我一個。公司文化及作風(fēng)的區(qū)別由此可見。在這里，工程師被給予了一切可能的物質(zhì)條件，同時你也必須釋放出最大限度的能量。 初次面對這種規(guī)模的設(shè)計，不免有些手忙腳亂。好在這個設(shè)計的很多部分沿用了其他同類產(chǎn)品的相同部分，并不是第一次使用。電源部分更是如此，幾乎已經(jīng)是標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計了。基本上屬于照抄照搬。所以這就能讓我把注意力都集中在了這個設(shè)計中與新的通信協(xié)議有關(guān)的芯片和電路方面。 不久，一家電源器件生產(chǎn)廠家的銷售代理來訪，聽說了這個項(xiàng)目，立刻向我建議：他們有一款新的DC/DC電源模塊，幾何尺寸，管腳分布及電路特征都與我現(xiàn)在用的兼容。不但在價格上有一定的優(yōu)勢，一些性能還有增強(qiáng)。而我現(xiàn)在使用的模塊，又只有一個供貨商，正好可以因此加上做備份。所有這些讓我覺得好像沒有理由拒絕。而最關(guān)鍵的一點(diǎn)是：我天性不安分，痛恨跟在別人后面亦步亦趨。在設(shè)計中總希望有些與眾不同的地方。原來的設(shè)計照抄照搬本是無奈之舉，現(xiàn)在有可能而且有理由作出改變，為什么不呢？ 于是我決定使用這家的電源，將其列入了同一器件編號，并在樣機(jī)裝配時就用上了。 樣機(jī)完成了初始調(diào)試及軟件合成后，轉(zhuǎn)入了全面測試。但是，剛剛開始測試不久，就傳來消息，出事了！ 測試結(jié)果表明，幾臺供測試的樣機(jī)不同程度的出了問題。故障又全部集中在一組靜態(tài)存儲器上。故障特征是：讀寫結(jié)果出現(xiàn)錯誤，并且沒有固定的錯誤地址及數(shù)據(jù)模式，完全是隨機(jī)狀態(tài)。 聽著有點(diǎn)兒耳熟吧？ 沒錯，和以前寫的那篇“捉鬼”里面的見到的故障模式幾乎一樣。但是在時間順序上，這次的故障在前，“捉鬼”在后。 “你這個人怎么這么背呀！怎么存儲器老和你過不去！” 是嗎？我倒不這么看。對工程師來說，這其實(shí)是件好事。 不過說是好事，那是就事后而言。在當(dāng)時可是有點(diǎn)兒頭大了。存儲器故障，首先的措施當(dāng)然就是換存儲器器件，但是無效，故障依然存在。這就有點(diǎn)兒麻煩了。這部分的設(shè)計是直接由其他產(chǎn)品上拿過來的，沒有任何改變，連布線都幾乎相同。已經(jīng)被驗(yàn)證過的設(shè)計怎么會又出問題？懷疑的對象似乎只能還是存儲器器件本身。而來自同一廠家同一批號的這種器件現(xiàn)在正同時在幾個產(chǎn)品上使用，有的還正處于量產(chǎn)狀態(tài)。如果真是器件問題，影響可就大了。 為了防止問題擴(kuò)大，馬上通知了有關(guān)部門。而有關(guān)部門采取的措施也是干脆果斷：凡是使用相同批號該型器件而處于生產(chǎn)狀態(tài)的產(chǎn)品立即停產(chǎn)! 事兒鬧大了！ 面對這種情況，我倒是沒慌，相反還有點(diǎn)得意。如果真是這個批號的器件問題，出了這個故障，不正好給其他項(xiàng)目提了醒兒，避免了問題蔓延嗎？ 很快，拆下來被認(rèn)為有問題的芯片被送回了廠家檢測。出乎意料的是，廠家重新測試的結(jié)果表明，這些芯片沒有問題，是好的！同時，為了驗(yàn)證問題，另外一個使用了相同批號器件的產(chǎn)品也被送到測試組測試，結(jié)果是，全部測試通過，沒有發(fā)現(xiàn)類似的問題！ 問題轉(zhuǎn)了一圈，又回到了我這兒：相同的設(shè)計，相同的芯片，為什么別人的沒事，到我這兒出毛病？芯片廠家對此也不敢怠慢，他們建議：將我的這個產(chǎn)品與另一個使用相同芯片通過了測試的產(chǎn)品進(jìn)行狀態(tài)比對，重點(diǎn)檢查存儲器的電源及時鐘的初始狀態(tài)。 所謂初始狀態(tài)，就是指由開始加電的零時起，一直到電源和時鐘都穩(wěn)定后這中間幾十毫秒的過程。這么一比，差別就出來了！ 已經(jīng)通過測試的那個產(chǎn)品，其存儲器的電源電壓變化，由０V開始一直到額定值，保持了一條直線。用數(shù)學(xué)語言來精確描述，就是：單調(diào)，線性。 而在我的板子上，電源電壓上升到一半，突然呈現(xiàn)一段停滯，有兩塊板子甚至出現(xiàn)電壓下跌的狀況，看上去幾乎呈現(xiàn)出一個反“S”的形態(tài)。雖然最終電壓上升到了額定值，但是這個升壓過程的變化，顯然成為最大的疑點(diǎn)。存儲器廠家也表示，保持電源電壓的線性變化，對保證器件工作的正常很重要。 兩個產(chǎn)品，相同的設(shè)計，相同的芯片。不同的，就只有我換的那個電源模塊了。存儲器的電源正是由它供電的。將一臺樣機(jī)上的電源拆下來，換上原來老廠家的模塊。再檢查電源，電壓的上升呈現(xiàn)理想的線性，反“S”的狀態(tài)不見了！重新對存儲器測試，好了！ 到此，問題清楚了：新?lián)Q的這個電源模塊的動態(tài)特性不滿足器件要求，不能用。于是，怎么把它掛牌列入數(shù)據(jù)庫的，還得怎么摘牌拿出來。還得恢復(fù)使用原來廠家的東西。 這個故障的出現(xiàn)和排除，使我對現(xiàn)代電子設(shè)備設(shè)計中電源性能對整個系統(tǒng)的影響有了新的認(rèn)識。對它的評估，不能僅僅局限在其穩(wěn)定后的指標(biāo)，還要包括它開始動作的那個過程。就像一出戲開場，不能等演員站到了臺口才算開始。鑼鼓家伙一響，演員后臺一叫板，這戲就算開了！原因是：現(xiàn)在系統(tǒng)中所用器件對環(huán)境的要求越來越高。說白了就是來飯館吃飯的客人，譜兒大了，嘴刁了。不小心認(rèn)真伺候，搞不好就出亂子了。 就對電源的動態(tài)特性的要求而言，一般地說，數(shù)字器件比模擬器件敏感，時序邏輯比組合邏輯敏感。特別是含有存儲和記憶功能的器件尤為如此。現(xiàn)在大多數(shù)的SoC器件都需要一個以上的電源以提供不同的電壓。在這種情況下，除了每一路電源還應(yīng)保持“單調(diào)，線性”（monotonic and linear） 這一基本要求外，各路電源之間的時序也變得重要起來。由于CMOS器件本身的特征，錯誤的電源電壓及次序有可能導(dǎo)致“Latchup” 現(xiàn)象的發(fā)生，造成工作不正常，甚至器件失效。這一情況有時甚至連模擬器件都不能幸免。所以若是檢查哪些SoC器件或者FPGA的手冊，你會發(fā)現(xiàn)大多對電源的時序都有嚴(yán)格規(guī)定。比如：“器件核心部分必須先于IO部分加電”，或“同時加電”等等。盡管現(xiàn)在的芯片設(shè)計已經(jīng)改進(jìn)，采取了許多措施避免“Latchup”的現(xiàn)象發(fā)生，但是作為設(shè)計者，對此仍然不能掉以輕心。 現(xiàn)在許多SoC廠家在推出一款新的芯片同時，還會推出與之相配套的電源管理器件（PMIC）。一些專門的PMIC制造商也會特別說明，那款PMIC適用于那個系列的SoC芯片。這些PMIC除了其輸出電壓及電流容量會滿足那些芯片要求，更重要的是，其各路電源輸出的時序是按照其要求設(shè)計的，或者是可以通過編程改變以適應(yīng)其要求。所以，選用這些PMIC，不能只看它的輸出電壓和負(fù)載容量，還必須看其加電及關(guān)電的時序是否適合你的芯片。 現(xiàn)在用于各種應(yīng)用的SoC芯片種類繁多，對電源的要求也不盡相同。下面的幾個圖代表了幾種典型的情況。 
綜合這些對系統(tǒng)電源的要求，在評價一款電源器件時，你就很難用簡單的一句話來概括，它是好還是不好。以前面我用過的那款導(dǎo)致存儲器工作不正常的電源模塊為例，并不能簡單地下結(jié)論說它“不好”，而只能說它“不合適”。電源廠家在產(chǎn)品的設(shè)計過程中肯定會考慮其應(yīng)該具有的動態(tài)性能。但是面對不同形式不同特征的負(fù)載，它的表現(xiàn)就很難一致了。那款電源的情況只是說明，它的動態(tài)特性不滿足我的設(shè)計中特定負(fù)載的要求。 這事兒跟婚姻一樣，別人說好說壞都沒用，關(guān)鍵要自己“合適”。 如此說來，那在電源設(shè)計的過程中到底有沒有經(jīng)驗(yàn)可循呢？ 當(dāng)然有。我的經(jīng)驗(yàn)就是：不要相信任何“經(jīng)驗(yàn)”，無論是他人的還是自己的。每當(dāng)你開始一個新設(shè)計，都去老老實(shí)實(shí)地檢查你的芯片和系統(tǒng)對電源的要求。即使你曾經(jīng)用過這款芯片。因?yàn)椋瑫r過境遷，芯片的版本可能已經(jīng)更新，要求有了變化。因?yàn)椋酒膽?yīng)用環(huán)境不同，導(dǎo)致對電源的要求也會不同。還因?yàn)椋阌肋h(yuǎn)不知道那塊云彩會下雨，那塊石頭會絆人。危險和意外往往是在你不留意的時候發(fā)生的。 有人可能會對此不屑：我的電源沒那么多講究，一樣工作，沒見出過什么問題。。。 沒錯，完全有可能這樣。我的那個設(shè)計在測試時，也不是每個板子都出問題，也不是每次都出問題。但是，一個爛西紅柿吃下去，不是每個人都鬧肚子，你不能應(yīng)此而就得出結(jié)論：爛西紅柿可以吃。電子設(shè)備，電源是其基礎(chǔ)的基礎(chǔ)。直觀的電源失效（電壓過高或過低）會直截了當(dāng)?shù)刈屇愕脑O(shè)備趴窩。而那些隱形的問題所帶來的結(jié)果可能更可怕，因?yàn)樗斐傻暮蠊推渌麊栴}混雜在一起，讓你難以分辨。你也無法預(yù)料它什么時候爆發(fā)。沒人會愿意一直吃爛西紅柿，到了上吐下瀉時再找原因。作為設(shè)計師，你也不會愿意讓你的設(shè)計帶著個不知什么時候響的**出廠吧? 這件事已經(jīng)過去了很多年。當(dāng)初設(shè)計的那個產(chǎn)品現(xiàn)在已經(jīng)停產(chǎn)了。可是，那條在示波器上呈現(xiàn)出的反“S”曲線所帶來的影響，我一直沒有忘記。它對我后來的工作幫助不小。這就是為什么我在前面說是“好事”的原因。 幾年以后，又一個突如其來的存儲器故障擺在了我面前。不過這次的事，卻是個喜劇結(jié)尾。過程嘛，以前寫的“捉鬼”已經(jīng)說過了，在這兒就免了吧。 |
