【摘要】某產(chǎn)品研發(fā)階段在做四角實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)單板在低溫下出現(xiàn)反復(fù)重啟動(dòng)的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)反復(fù)的實(shí)驗(yàn)和定位，發(fā)現(xiàn)是該電源DC-DC芯片使用的液態(tài)電解電容，在低溫下，內(nèi)部液體固化。導(dǎo)致電容ESR降低，進(jìn)而使DC-DC輸出的紋波變大，出現(xiàn)單板反復(fù)重啟動(dòng)的問(wèn)題。

一、問(wèn)題的提出

該產(chǎn)品是一款有線通信設(shè)備，CPU為1.0V核電壓。在該單板做四角實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，溫循實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)單板有重啟問(wèn)題，現(xiàn)象是：低溫實(shí)驗(yàn)，會(huì)存在重啟現(xiàn)象了，多次試驗(yàn)重啟故障必現(xiàn)。從這個(gè)現(xiàn)象看，單板應(yīng)該是存在設(shè)計(jì)缺陷，對(duì)低溫特別敏感。

二、分析過(guò)程

根據(jù)單板復(fù)位的現(xiàn)象，按照時(shí)鐘、電源順序排查故障發(fā)生時(shí)CPU關(guān)鍵信號(hào)情況：

1、時(shí)鐘信號(hào)

該單板主時(shí)鐘為25MHz，通過(guò)外部晶體提供。將時(shí)鐘信號(hào)飛線引出，同時(shí)放在溫箱中。在低溫下，發(fā)現(xiàn)該單板復(fù)位的時(shí)候，時(shí)鐘信號(hào)并未出現(xiàn)異常。這里初步排除了不是晶體的問(wèn)題。

2、電源

其次，考慮是單板上的電源有瞬間跌落的問(wèn)題，從而導(dǎo)致單板復(fù)位。通過(guò)用示波器在溫箱內(nèi)監(jiān)測(cè)。主要監(jiān)測(cè)了單板上的3.3V、1.8V、1.5V（DDR3電源）和 1.0V （CPU核電源）。在單板復(fù)位信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)候，并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)上述電源有過(guò)跌落。進(jìn)一步監(jiān)測(cè)1.8V、1.5V和1.0V電源紋波的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)在低溫下，1.0V電源紋波有明顯的變大。而且，隨著溫度繼續(xù)降低，該紋波會(huì)繼續(xù)增大。當(dāng)1.0V電源紋波增大到一定程度時(shí)候，單板出現(xiàn)復(fù)位。通過(guò)使用復(fù)位信號(hào)做觸發(fā)，監(jiān)測(cè)1.0V的紋波，發(fā)現(xiàn)1.0V紋波變大的時(shí)候，恰好是復(fù)位信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)候，在時(shí)序上是可以對(duì)準(zhǔn)的。

圖1 單板復(fù)位信號(hào)和1.0V紋波信號(hào)

圖2 單板復(fù)位信號(hào)和1.0V紋波信號(hào)放大

進(jìn)一步測(cè)量1.0V紋波隨溫度變化情況：在環(huán)境溫度降到＜0度時(shí)候，1.0V紋波即開(kāi)始變大；隨著溫度繼續(xù)降低，紋波越來(lái)越大，直到紋波達(dá)到到200MV左右，單板復(fù)位。為驗(yàn)證是1.0電源紋波的問(wèn)題，從1.0V電源的輸出電感處，斷開(kāi)了單板上的1.0V DC-DC電源，用外部輸入的1.0V電源灌入單板，替代原有的1.0V電源。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，用外部電源后，單板在低溫下，沒(méi)有出現(xiàn)復(fù)位問(wèn)題。對(duì)于用外部電源替代原有的1.0V電源，主要區(qū)別就是外部電源在溫箱外面，不受溫度變化影響，電源紋波一直穩(wěn)定。所以，基本可以確定，主要就是1.0V電源紋波導(dǎo)致的單板復(fù)位。針對(duì)1.0V電源紋波問(wèn)題，主要考慮：1、電源環(huán)路參數(shù)問(wèn)題，導(dǎo)致在低溫下環(huán)路不穩(wěn)定，進(jìn)而導(dǎo)致紋波增大。2、考慮是電源上用的外圍器件，在低溫下，器件參數(shù)變化，導(dǎo)致輸出紋波增大。因?yàn)榄h(huán)路參數(shù)需要DCDC廠家支持配合驗(yàn)證，這里優(yōu)先自行排查可能性2。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，從芯片手冊(cè)和收集的資料上看，確實(shí)有相關(guān)的解釋：根據(jù)1.0V電源選擇的DC-DC芯片的手冊(cè)上看，輸出的電源紋波和輸出電容的ESR以及開(kāi)關(guān)頻率、電感量L有關(guān)，具體如下：

圖3 DC-DC輸出紋波和輸出電容ESR的關(guān)系

這里Fs是固定的430K，L 電感選擇的是10uH ，輸入輸出的電壓不變，在低溫環(huán)境下測(cè)量DCDC開(kāi)關(guān)頻率和電感量L變化，排除這兩參數(shù)影響。1.0V電源的電路如下：

圖4 1.0V電源電路

這里選擇的輸出電容C166 是液態(tài)鋁電解電容，在電容的手冊(cè)中，沒(méi)有提到電容的ESR隨溫度變化的關(guān)系，從查到的資料看，液態(tài)鋁電解電容的ESR會(huì)隨溫度變化而變化。 通常，為了便于分析電容的ESR，多用下圖的簡(jiǎn)化方式來(lái)表示：

圖5? 電容簡(jiǎn)化圖

導(dǎo)致ESR變化兩個(gè)常見(jiàn)因素是：

1）不良的電氣連接；

2）電解溶液的干枯。

圖6 液態(tài)鋁電解電容ESR和溫度關(guān)系

從上面的圖中可以看到，電容的ESR隨著溫度的降低而增加。所以，對(duì)于該單板在低溫下出現(xiàn)的1.0V電源紋波變大，導(dǎo)致的單板復(fù)位問(wèn)題就可以解釋了：在低溫下，鋁電解電容的電解液凝固，導(dǎo)致電容的ESR增加。根據(jù)1.0V電源DC-DC芯片手冊(cè)上的輸出電壓紋波公式可以知道，ESR增加，必然導(dǎo)致輸出電源的紋波增加，理論計(jì)算基本與現(xiàn)象符合。

三、解決方法

為此，要解決這個(gè)問(wèn)題，關(guān)鍵是在低溫下保持輸出電容的ESR值和常溫保持不變。由于該電容的ESR是由于電解液在低溫下凝固而導(dǎo)致的，所以，選擇了固態(tài)鋁電解電容來(lái)替換。替換后，單板在低溫下正常，不再?gòu)?fù)位。

四、總結(jié)

雖然最后的解決方法很簡(jiǎn)單，但整個(gè)定位的過(guò)程和解決方法，在以后實(shí)驗(yàn)中還是具有一定的借鑒作用。本文闡述的實(shí)踐方法適用于單板上主要芯片功耗大，負(fù)載變化較大的單板；對(duì)于單板工作環(huán)境溫度變化比較大的單板，在大電容選擇的時(shí)候，可以參考。

審核編輯：湯梓紅