數(shù)字控制器IC利用黑盒工具和在線診斷大幅降低返修率

?????? 電源公司可以借用航空工業(yè)的概念，使用“黑匣子”監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行并存儲(chǔ)運(yùn)行數(shù)據(jù)，以便在發(fā)生故障后進(jìn)行檢查。該概念將有助于對(duì)返修品進(jìn)行故障分析。對(duì)電源公司及其客戶而言，返修可能會(huì)耗費(fèi)相當(dāng)多的時(shí)間和資金，而且診斷和出具全面故障分析報(bào)告的時(shí)間壓力可能會(huì)使供應(yīng)商與客戶之間的關(guān)系進(jìn)一步緊張。是否有適當(dāng)?shù)墓收显\斷工具來(lái)快速調(diào)試并解決問(wèn)題，在某種意義上決定了產(chǎn)品的成敗。先進(jìn)的PMBus?數(shù)字控制器IC ADP1055適用于隔離電源系統(tǒng)，您可以配置它來(lái)提供線路內(nèi)黑盒功能。

　　利用在線診斷和線路內(nèi)黑盒，問(wèn)題可得到緩解，而且從長(zhǎng)期來(lái)看，這些問(wèn)題會(huì)使設(shè)計(jì)更加魯棒并增進(jìn)廠商對(duì)系統(tǒng)的了解。線路內(nèi)黑盒具有一個(gè)數(shù)據(jù)記錄儀，用于記錄關(guān)鍵事件或中斷發(fā)生之前電源的所有相關(guān)和重要的信息。除電源之外，很容易將這個(gè)概念應(yīng)用于其他系統(tǒng)。

　　黑盒工作原理

　　ADP1055的黑盒特性可將引起系統(tǒng)關(guān)斷的故障相關(guān)重要數(shù)據(jù)記錄到EEPROM中。黑盒診斷工具有兩個(gè)重要功能：第一，第一標(biāo)志ID特性記錄第一次發(fā)生的故障，例如過(guò)流、過(guò)壓和過(guò)溫引起的故障；第二，當(dāng)控制器遇到此類(lèi)故障時(shí)，獲取遙測(cè)快照（如圖1所示）。此信息被保存到嵌入式非易失性EEPROM，以后進(jìn)行診斷時(shí)可以讀取。若有多個(gè)故障，黑盒會(huì)捕捉第一個(gè)引起系統(tǒng)關(guān)斷的故障標(biāo)志ID以及所有遙測(cè)信息。

　　圖1. GUI中的黑盒標(biāo)志，顯示VOUT OV FAST故障為第一個(gè)故障ID

　　由于數(shù)字控制電源會(huì)測(cè)量多個(gè)參數(shù)，ADP1055采用專(zhuān)用的（非多路復(fù)用）Σ-Δ型ADC，針對(duì)每次電壓、電流和溫度等的測(cè)量取時(shí)間平均值，以確保獲取準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，并在關(guān)斷時(shí)測(cè)得的數(shù)量記錄至黑盒中。

　　在測(cè)試和評(píng)估期間，黑盒特性對(duì)排除系統(tǒng)故障尤為有用。如果召回某系統(tǒng)進(jìn)行故障分析，那么可以從EEPROM中讀取這些信息來(lái)協(xié)助調(diào)查產(chǎn)生故障的根本原因。

　　針對(duì)黑盒記錄提供了多種選項(xiàng)，包括：不記錄，黑盒禁用；僅記錄最終關(guān)斷前的遙測(cè)信息；記錄最終關(guān)斷的遙測(cè)信息和所有間歇性重試嘗試（若設(shè)備設(shè)為關(guān)斷和重試）；使用CTRL引腳或OPERATION命令（參見(jiàn)PMBus說(shuō)明）記錄最終關(guān)斷、所有重試嘗試和正常掉電操作的遙測(cè)信息

　　黑盒內(nèi)容

　　EEPROM中有兩頁(yè)（Page A和Page B）專(zhuān)用于存儲(chǔ)黑盒內(nèi)容?？偣部梢源鎯?chǔ)16條記錄，每頁(yè)8條記錄，每條64字節(jié)。兩頁(yè)組成循環(huán)緩沖器，用于記錄黑盒信息，其中的數(shù)據(jù)每過(guò)16條記錄就會(huì)被覆蓋。

　　EEPROM是一種頁(yè)面擦除存儲(chǔ)器，這意味著寫(xiě)入頁(yè)面前，必須先擦除整頁(yè)內(nèi)容。由于EEPROM的頁(yè)面要求擦除，因此在寫(xiě)入任意頁(yè)面的第8條記錄后，下一頁(yè)自動(dòng)擦除，以便連續(xù)進(jìn)行黑盒記錄。

　　每次將一條記錄寫(xiě)入黑盒時(shí)，器件便會(huì)遞增記錄編號(hào)。每次黑盒寫(xiě)操作都會(huì)記錄圖1和圖2中列出的PMBus和制造商特定寄存器。

　　圖2. GUI顯示的黑盒讀數(shù)

　　寫(xiě)入單條黑盒記錄耗時(shí)大約1.2 ms。然而，必須考慮到有一段頁(yè)面擦除時(shí)間，以便確保故障能被成功記錄。在ADP1055器件中（參見(jiàn)側(cè)邊欄——關(guān)于ADP1055），每頁(yè)可以寫(xiě)入8條記錄，因此當(dāng)記錄數(shù)量為8n ? 1 （n 》 0）的倍數(shù)時(shí)，另一個(gè)頁(yè)面就會(huì)發(fā)起頁(yè)面擦除操作。擦除操作需要額外的32 ms時(shí)間。因此，每（8n - 1）次寫(xiě)操作都需要執(zhí)行一次頁(yè)面擦除，這使得總記錄時(shí)間為33.2 ms。建議每次關(guān)斷和重試周期之間的最短延遲時(shí)間大于最小黑盒編程時(shí)間（即1.2 ms），并且最差情況下可以延長(zhǎng)至33.2 ms。

　　圖3. 黑盒寫(xiě)操作

　　圖3所示為寫(xiě)操作的時(shí)序。黑盒成功記錄的另一個(gè)考慮因素是IC失去電源電壓或VDD。ADP1055正常工作和黑盒操作要求恒定的3.3 V VDD。通常在隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器中，輔助或常通電源為控制器供電。在其他情況下，可以通過(guò)VDD引腳上的保持電容來(lái)將電壓維持在UVLO閾值以上。

　　黑盒回讀

　　有兩個(gè)專(zhuān)用制造商特定命令可用來(lái)回讀EEPROM中存儲(chǔ)的黑盒數(shù)據(jù)內(nèi)容。塊讀取命令READ_BLACKBOX_CURR返回當(dāng)前記錄N（最后保存的記錄）及所有相關(guān)數(shù)據(jù)，參見(jiàn)“黑盒內(nèi)容”部分所述。塊讀取命令READ_BLACKBOX_PREV返回前一記錄N ? 1（最后保存記錄的前一條）的數(shù)據(jù)。這些命令都是塊讀取命令，收到的第一字節(jié)稱(chēng)為BYTE_COUNT，告知PMBus主機(jī)還有多少字節(jié)需要讀取。

　　建議通過(guò)ADP1055 GUI查看黑盒數(shù)據(jù)，因?yàn)樗芤员阌陂喿x、用戶可訪問(wèn)的格式顯示所有黑盒內(nèi)容。

　　ADP1055的黑盒特性使用分組差錯(cuò)校驗(yàn)（PEC）來(lái)保證數(shù)據(jù)的有效性。每條黑盒記錄最后的PEC字節(jié)為各條記錄所特有，使用循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC） 8多項(xiàng)式計(jì)算。寫(xiě)入EEPROM時(shí)，PEC字節(jié)附加到數(shù)據(jù)上，作為該條記錄的最后有效字節(jié)。讀取EEPROM時(shí)，每條記錄的頭塊用于計(jì)算預(yù)期PEC碼，然后將此內(nèi)部計(jì)算的PEC碼與接收的PEC字節(jié)相比較。如果比較失敗，則STATUS_CML寄存器中的PEC_ERR位置位并舍棄該條記錄，因?yàn)閿?shù)據(jù)有效性受損。

　　EEPROM壽命和數(shù)據(jù)保存期限

　　ADP1055的EEPROM經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，確保電源可在現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)時(shí)間工作。ADP1055的EEPROM在125 °C時(shí)的數(shù)據(jù)保存期限長(zhǎng)達(dá)15年。另外，在電源壽命期間可多次寫(xiě)入EEPROM，這也是數(shù)據(jù)保存期限的一個(gè)限制因素。為了改善EEPROM在大量擦除編程周期后的數(shù)據(jù)可靠性，ADP1055將最大故障記錄數(shù)量限制在158，000條（ADP1055環(huán)境溫度低于85 °C時(shí)的建議值）或16，000條（ADP1055環(huán)境溫度低于125 °C時(shí)的建議值）。

　　黑盒每次將記錄存儲(chǔ)到EEPROM之后，當(dāng)前記錄數(shù)就會(huì)遞增。若發(fā)生故障，且當(dāng)前記錄數(shù)大于上文提及的最大記錄數(shù)，則不允許繼續(xù)進(jìn)行黑盒記錄，因?yàn)镋EPROM已達(dá)到其最大擦除編程周期，繼續(xù)進(jìn)行記錄是不可靠的。STATUS_CML寄存器中的MEM_ERR置位以指示這種情況。

　　圖4. 使用ADP1055的隔離式DC-DC電源級(jí)總覽圖

　　圖4顯示了如何在典型應(yīng)用中使用帶有黑盒功能的高級(jí)數(shù)字DC-DC控制器ADP1055。該器件適用于全橋、移相、有源鉗位正激等拓?fù)?，并具有多?xiàng)功能，比如冗余OVP、平均和峰值過(guò)流保護(hù)、帶微型FPGA的GPIO有源吸收器。ADP1055也可用作多相控制器。配置黑盒無(wú)需其他硬件。不涉及到固件，因?yàn)锳DP1055基于FSM（有限狀態(tài)機(jī)），具有專(zhuān)用邏輯，易于使用，用戶不必學(xué)習(xí)任何新的編程語(yǔ)言。

　　黑盒功能還可在制造流程中有效進(jìn)行部署，用以檢測(cè)產(chǎn)品驗(yàn)證階段和試生產(chǎn)初級(jí)階段的老化測(cè)試和壓力測(cè)試故障。黑盒將電源調(diào)試推進(jìn)到更高的階段，為復(fù)雜系統(tǒng)的故障排除提供有針對(duì)性的指導(dǎo)信息。這樣就可以經(jīng)由排查黑盒記錄儀發(fā)現(xiàn)的設(shè)計(jì)問(wèn)題而減少客戶故障，改善可靠性指標(biāo)，比如平均故障間隔時(shí)間（MTBF）。

　　關(guān)于ADP1055

　　ADP1055是一款靈活、功能豐富的數(shù)字副邊控制器，用于AC-DC和隔離式DC-DC副邊應(yīng)用。ADP1055還為實(shí)現(xiàn)最低元件數(shù)量、最大靈活性和最少設(shè)計(jì)時(shí)間進(jìn)行了優(yōu)化。具體特性包括差分遠(yuǎn)程電壓檢測(cè)、原邊和副邊電流檢測(cè)、脈寬調(diào)制（PWM）產(chǎn)生、頻率同步、冗余OVP和均流?？刂骗h(huán)路數(shù)字濾波器和補(bǔ)償功能已集成至該器件，可通過(guò)PMBus接口編程?？删幊瘫Ｗo(hù)功能包括過(guò)流保護(hù)（OCP）、過(guò)壓保護(hù)（OVP）、欠壓閉鎖（UVLO）和外部過(guò)溫保護(hù)（OTP）。內(nèi)置EEPROM可為集成環(huán)路濾波器、PWM信號(hào)時(shí)序、浪涌電流、軟啟動(dòng)時(shí)序和時(shí)序控制提供全面編程選擇。內(nèi)置校驗(yàn)和與可編程保護(hù)電路使器件的可靠性得以增強(qiáng)。該器件還提供全面的用戶界面（GUI），便于進(jìn)行環(huán)路濾波器特性設(shè)計(jì)和安全特性編程。PMBus符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可訪問(wèn)許多監(jiān)控和系統(tǒng)測(cè)試功能。ADP1055提供32引腳LFCSP封裝，采用3.3 V單電源供電。

　　作者簡(jiǎn)介

　　SubodhMadiwale是ADI公司位于美國(guó)加州圣何塞的電源管理部門(mén)的應(yīng)用工程師。之前在PI公司擔(dān)任現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師，負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)電源。他興趣廣泛，包括系統(tǒng)建模和架構(gòu)、高頻電源轉(zhuǎn)換、使用混合信號(hào)SOC改進(jìn)系統(tǒng)等。他擁有美國(guó)加州圣塔克拉拉大學(xué)電氣工程碩士學(xué)位和加拿大湖首大學(xué)電氣工程學(xué)士學(xué)位。

　　Vuong Tran是ADI公司位于美國(guó)加州圣何塞的電源管理部門(mén)的IC設(shè)計(jì)工程師，專(zhuān)注于ADI數(shù)字電源系列產(chǎn)品。加入電源管理部門(mén)以前，Vuong隸屬DSP部門(mén)開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)，負(fù)責(zé)將Blackfin?處理器產(chǎn)品推向市場(chǎng)。Vuong擁有美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)電氣工程和土木工程雙學(xué)士學(xué)位。