嵌入式硬件設計01-電源紋波引發的產品反復重啟

　　一陣電話鈴聲響起，快來辦公室開會，硬件工程師，軟件工程師，銷售被老板叫到辦公室開會。銷售人員激動大喊：老板，發出去的產品出現很多不穩定，客戶要求馬上到現場解決，否則后果嚴重!工程師們瑟瑟發抖，天天擔心出問題，誰知又有岔子，這個月獎金要泡湯了。不少工程師遇到這種場景，排查后發現多半是電源不穩定引起的。問題防不勝防，如何輕松搞定設計，避免產品現場安裝出問題呢?

　　ZLG技術研發中心總結10多年客戶以及自己遇到的“難題”，精心準備了12篇嵌入式硬件電源設計方面的技術文章，和讀者一起探討嵌入式硬件電源設計方面的注意事項。今天以一例電源不穩定引發的產品問題作為開篇，以饗讀者。正文：(字數控制在800-3000字，請將原始配圖放在文件夾內，隨文檔一起打包發送過來)現場實例

　　首先來看一個案例，某電梯公司的外呼板項目采用了ZLG的復位監控芯片NCP803，用來監控主控供電，剛開始的測試中系統一切正常，使用一段時間就會少量產品偶爾出現復位引腳一直輸出低電平的現象，導致系統一直處于復位狀態，并且只有重新斷電上電后才能恢復正常，ZLG FAE親自前往現場發現確實有此現象產生，用萬用表測試供電電壓正常。客戶據此懷疑是電源監控芯片的質量問題，要求我們會同原廠給出測試報告。然而，客戶所謂“有問題”的產品，經過ZLG工程師反復測試正常，“有問題的芯片”經過原廠測試分析后給出的報告，芯片完全正常。

　　至此，事情出現僵局，問題卻沒解決。客戶一再強調自身電源設計非常成熟，絕不會有問題。ZLG應客戶要求再次做實驗：根據客戶描述的情況，復原現象來尋找下原因，即便用他寄過來的實物做頻繁上下電測試，也沒有出現那個問題。NCP803屬于量產N多年的芯片，芯片本身出問題的概率是微乎其微，但為了測試的嚴謹性，我們還是實測了下芯片功能參數。

　　首先，我們來分析一下這一系列復位芯片功能特點，好讓大家對后續的案例分析有一定的了解。如表1所示。

　　表1 復位監控芯片功能

　　以上器件都屬于同一系列的，只是復位輸出不太一樣，都不支持看門狗和手動復位，所以其功能特別簡單，僅僅監控MCU供電的電平及穩定性來控制復位的輸出。如圖1所示是復位監控芯片的功能時序圖

　　圖1 NCP803上下電時序圖

　　上電過程中當VCC電壓大于閾值電壓VTH+時會經過一段穩定時間tRP后使復位輸出為高電平(并且在這段時間內VCC復位MCU運行。

　　掉電過程中當VCC電壓大于閾值電壓VTH-時，復位輸出會立即下拉到低電平使MCU停止運行程序。

　　根據對復位監控芯片的原理分析和客戶實際的狀況可以推出可能由以下情況出現問題：

　　?供電VCC電壓不穩定或電壓值偏低;

　　?客戶的MCU芯片復位管腳損壞強行將復位一腳拉低;

　　?NCP803異常損壞導致;

　　在正常測試時就應該首先進行第一步測試來確定問題所在，此時需要用示波器來測量供電VCC和復位輸出的電壓波形來分析，看是否VCC電壓不穩定造成的影響。但是由于現場并沒有示波器，而是用萬用表簡單測量了下電壓值且電壓值無異常而誤認為電壓沒有問題。

　　接下來我們就在客戶的實物板子上測試了下復位芯片的上下電波形圖，如圖2所示是在客戶板子上實測NCP803上下電時復位芯片的VCC(綠色線)和復位(黃色線)輸出波形。

　　圖2 NCP803上下電實測

　　通過分析板子實測波形圖可以看出芯片功能完全正常，并且各參數都在手冊標定的范圍內，所以可以確定芯片絕對是沒問題的。

　　接下來我們懷疑客戶電源設計有問題：強烈建議ZLG FAE到客戶現場用示波器測試問題產品的電源和復位的波形。

　　當FAE再次來到客戶現場，使用示波器測量時有了重大發現，如圖3下就是在客戶現場測試的復位波形圖，探頭2所示是復位波形，可以看到復位信號忽高忽低，明顯發生異常。

　　圖3 復位測試波形

　　由于復位引腳的輸出和供電有關，所以懷疑是VCC供電端異常，接下來繼續測試供電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，小于此值的時候芯片會復位輸出，所以可以確定原因是VCC供電不穩導致的。這也就是為什么復位芯片的復位管腳會忽高忽低。

　　圖4 供電波形測試

　　隨后用了穩定的電源供電就沒在發生此現象了，最終的原因是客戶前端的12V轉3.3V的DC-DC開關電源輸出的電壓紋波特別大導致的，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試結果，并且承認不是復位監控芯片出的問題。

　　總結：

　　對于此類復位監控芯片出現的異常，大部分都是使用者的供電電壓出現問題而導致的，芯片本身損壞的概率微乎其微，碰到這類現象只需用示波器將各處的電壓波形測試一下就能很容易發現問題，切不可單單用萬用表簡單測試下電壓值，因為萬用表的刷新速度慢，無法測試出實際電壓波形值，只能測得平均值，不能說明情況。此案例也說明電源參數設計的重要性，特別對于DC/DC，優點是轉換效率高，缺點是紋波大，需要選擇合適的電感參數來抑制紋波。