電子裕量調(diào)節(jié)及在產(chǎn)品出廠前檢測(cè)潛在系統(tǒng)故障的價(jià)值

本應(yīng)用筆記概述了電子裕量調(diào)節(jié)及其在產(chǎn)品出廠前檢測(cè)潛在系統(tǒng)故障的價(jià)值。它是一種校準(zhǔn)方法，可有效預(yù)測(cè)并允許調(diào)整以提高產(chǎn)品質(zhì)量。保證金還可用于將產(chǎn)品分類為性能級(jí)別，從而允許以高價(jià)出售優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。我們討論了分類的缺點(diǎn)，并提出了隔離產(chǎn)品的替代方法。

介紹

“邊際”一詞有多種含義。一種常見(jiàn)的頁(yè)邊距類型，即頁(yè)面上印刷文本周圍的空間，可以在 5000 多年前的粘土板上看到。

然而，我們將專注于計(jì)算機(jī)和電子行業(yè)的利潤(rùn)。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)微處理器安裝在主板上以制造計(jì)算機(jī)時(shí)，許多人，特別是游戲玩家和模組制作者（修改器），都希望更快的速度。于是，“速度邊際”誕生了。

速度裕度，也稱為“推送”或“超頻”，正在更改計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)硬件設(shè)置，使其以高于制造商額定值的速度運(yùn)行。這可以在系統(tǒng)的各個(gè)點(diǎn)完成，通常通過(guò)調(diào)整 CPU、內(nèi)存、視頻卡或主板總線速度。

通常，制造商會(huì)對(duì)芯片進(jìn)行微調(diào)和測(cè)試，以確定它們以何種速度失效。然后以比這低一級(jí)的速度對(duì)它們進(jìn)行評(píng)級(jí)。IC制造商將嘗試盡可能快地制造他們的產(chǎn)品，因?yàn)楦斓挠布梢再u更多的錢。據(jù)統(tǒng)計(jì)，晶圓中的某些IC可能能夠以比其他IC更高的速度運(yùn)行。每個(gè)芯片都經(jīng)過(guò)測(cè)試，看看它的運(yùn)行速度有多快，運(yùn)行得更快的芯片被標(biāo)記為“更高的速度”。由于測(cè)試非常嚴(yán)格和保守（因?yàn)楸仨毐ＷC部件以最低速度運(yùn)行），游戲玩家認(rèn)為有可能將 CPU 推得比其額定值略快，同時(shí)保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

超頻者還發(fā)現(xiàn)，一些IC廠商為了滿足市場(chǎng)需求，故意低估芯片，制造高端和低端產(chǎn)品的差異化。有時(shí)，當(dāng)制造商缺貨時(shí)，他們會(huì)將較快的芯片封裝為較慢的芯片以滿足需求。超頻總是有效嗎？不。但是，超頻者嘗試是因?yàn)榻y(tǒng)計(jì)上有些成功了。

保證金的下一步

正如我們?cè)趹?yīng)用筆記4345“接地良好，數(shù)字即模擬”部分所討論的，數(shù)字信號(hào)比模擬信號(hào)更能容忍噪聲和電源電平。這是因?yàn)閿?shù)字設(shè)備固有的閾值。模擬設(shè)備會(huì)立即損壞，而數(shù)字設(shè)備通?？梢哉９ぷ鳎灰盘?hào)高于或低于臨界閾值電平。在數(shù)字系統(tǒng)中，故障是突然的（懸崖效應(yīng)），因?yàn)樾盘?hào)的劣化最初被（閾值）拒絕，直到它們變得嚴(yán)重到足以破壞數(shù)據(jù)。在那里，有必要測(cè)試性能裕度，以確保產(chǎn)品在其保修期內(nèi)和極端條件下運(yùn)行。

裕量是計(jì)算機(jī)行業(yè)中使用的一種長(zhǎng)期成熟的技術(shù)，通過(guò)在比正常服務(wù)中遇到的壓力更大的條件下對(duì)其進(jìn)行測(cè)試來(lái)證明數(shù)字過(guò)程的可靠性。失效前可以施加的額外應(yīng)力程度是性能裕度的衡量標(biāo)準(zhǔn)。

保證金技術(shù)可以應(yīng)用并取得巨大成功，如果使用得當(dāng)，將提供急需的信心因子。對(duì)電路進(jìn)行裕量有兩種典型方法：一種是使用病理數(shù)據(jù)模式。根據(jù)所使用的系統(tǒng)和編碼，具有 1 或 0 的長(zhǎng)字符串的數(shù)據(jù)模式缺少時(shí)鐘數(shù)據(jù)，并且可能會(huì)強(qiáng)調(diào)閾值要求。第二種也是更通用的方法是改變電源電平（通常通過(guò)降低電壓）。

校準(zhǔn)裕量

在 系統(tǒng) 或 PCB 的 設(shè)計(jì) 階段， 設(shè)計(jì) 人員 必須 定義 測(cè)試 協(xié)議。該過(guò)程將詳細(xì)說(shuō)明如何量化施加到被測(cè)器件（DUT）的應(yīng)力，以及如何客觀地將DUT分類為不同的性能級(jí)別或使產(chǎn)品失效（表1）。該協(xié)議應(yīng)清除早期嬰兒故障，并提供DUT在其預(yù)計(jì)壽命內(nèi)運(yùn)行的信心。典型的協(xié)議會(huì)逐步降低電源電壓，可能會(huì)改變時(shí)鐘速度等其他參數(shù)，并監(jiān)控一些關(guān)鍵功能參數(shù)。例如，將設(shè)置限制，將 DUT 分類為高性能到低性能單元，并刪除故障設(shè)備。

將 DUT 放入箱 A、B、C、D、E 或故障的示例過(guò)程

實(shí)施一個(gè)軟件或固件程序，可以調(diào)整電源電壓和改變時(shí)鐘速度，同時(shí)交替將兩種數(shù)據(jù)模式之一寫入存儲(chǔ)器。每次寫入內(nèi)存后，讀取內(nèi)存以監(jiān)視錯(cuò)誤。

在以下分檔操作中，將執(zhí)行校準(zhǔn)以精確設(shè)置電源電壓。還將完成其他校準(zhǔn)程序，以補(bǔ)償部件公差并確保滿足所有其他規(guī)格。

故障部件可以根據(jù)經(jīng)濟(jì)因素進(jìn)行修復(fù)或丟棄。小心故障板的丟棄方式;它們必須被物理銷毀，以防止不道德的人在灰色市場(chǎng)上出售它們并損害合法制造商的聲譽(yù)。

使用裕量和校準(zhǔn)的其他方法

其他系統(tǒng)規(guī)格可以通過(guò)裕量和校準(zhǔn)的組合來(lái)滿足?？梢愿倪M(jìn)的參數(shù)包括功耗和電源噪聲抑制（見(jiàn)圖1）。

圖1.電源去耦和監(jiān)控系統(tǒng)。

工程似乎總是涉及某些優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)之間的權(quán)衡。線性（低壓差）穩(wěn)壓器很安靜，但多余的功率會(huì)轉(zhuǎn)化為熱量。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器通電高效，但往往噪聲大。圖1使用校準(zhǔn)來(lái)兩全其美。電源穩(wěn)壓器的容差通常在 5% 至 10% 的范圍內(nèi)?，F(xiàn)在，設(shè)想一個(gè)具有裕量的系統(tǒng)，該系統(tǒng)必須將功耗降至最低。兩個(gè)穩(wěn)壓器的輸出通過(guò)單獨(dú)的低通濾波器或去耦，以最大限度地降低噪聲。大多數(shù)電源穩(wěn)壓器都針對(duì)直流進(jìn)行了優(yōu)化，并且具有足夠的頻率響應(yīng)來(lái)響應(yīng)線路和負(fù)載的變化。它們用作反饋環(huán)路，將輸出電壓與基準(zhǔn)進(jìn)行比較。典型的頻率響應(yīng)限制在幾十到幾百千赫茲，以防止振蕩。

MAX11600系列具有輸入多路復(fù)用器，后接模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），可監(jiān)測(cè)多達(dá)12個(gè)獨(dú)立點(diǎn)。為了最大限度地降低功耗，我們通過(guò)在開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器上設(shè)置數(shù)字電位計(jì)（電位器）來(lái)測(cè)量點(diǎn)A，該點(diǎn)考慮了開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器去耦端的壓降。B點(diǎn)測(cè)量通過(guò)調(diào)整LDO上的數(shù)字電位器來(lái)補(bǔ)償LDO去耦網(wǎng)絡(luò)上的壓降。通過(guò)將開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)置為略高于所需的LDO電壓，我們可以以最小的功率損耗獲得相對(duì)安靜的功率。為了進(jìn)一步降低噪聲，可以用基準(zhǔn)電壓源代替LDO，或者在LDO輸出端增加一個(gè)基準(zhǔn)電壓源，為關(guān)鍵電路（如低噪聲放大器）供電。

圖1所示的數(shù)字電位器也可以用數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）代替。

裕量調(diào)節(jié)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，并允許在產(chǎn)品發(fā)貨前檢測(cè)和糾正潛在的故障。但是對(duì)于所有工程，都有危險(xiǎn)。在工藝和組件公差范圍內(nèi)，給定批次可能無(wú)法獲得最高等級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)。因此，人們可能會(huì)被大量低級(jí)單位的庫(kù)存所困。將產(chǎn)品分類為性能等級(jí)并相應(yīng)地定價(jià)是有問(wèn)題的，但作為一種測(cè)試工具，測(cè)試它要安全得多。問(wèn)題是統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

仔細(xì)的統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)對(duì)于防止低產(chǎn)量陷阱是必要的。它們包括用于HP 50g的模擬設(shè)計(jì)計(jì)算器，包括在個(gè)人計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的免費(fèi)模擬器。統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制計(jì)算器有助于預(yù)測(cè)和分析過(guò)程產(chǎn)量。它計(jì)算每百萬(wàn)缺陷數(shù)、良率、過(guò)程偏移、標(biāo)準(zhǔn)偏差、平均值以及規(guī)格下限和規(guī)格上限。Micro-Cap 10是Spectrum Software的電路模擬器（有一個(gè)免費(fèi)的評(píng)估版本）。該軟件允許掃描電阻值并執(zhí)行蒙特卡羅分析，以探索元件公差的影響。?

隨著變量（組件）數(shù)量的增加，“保證”低收益保護(hù)可能變得不切實(shí)際。然后，可以采用另一種校準(zhǔn)技術(shù)。假設(shè)產(chǎn)品有幾個(gè)校準(zhǔn)區(qū)域。我們將這些區(qū)域稱為 A、B 和 C（可以容納任意數(shù)量的區(qū)域）。最高性能（價(jià)格）的設(shè)備在所有領(lǐng)域都經(jīng)過(guò)全面校準(zhǔn)。中端產(chǎn)品在A區(qū)和C區(qū)進(jìn)行校準(zhǔn)。最便宜的產(chǎn)品只能在C區(qū)校準(zhǔn)，調(diào)節(jié)器件（數(shù)字電位器或DAC）在A區(qū)和B區(qū)用固定電阻代替。這通過(guò)降低低精度產(chǎn)品的測(cè)試和組件成本，創(chuàng)造了真正的產(chǎn)品差異化。

結(jié)論

裕量調(diào)節(jié)可以有效地檢測(cè)系統(tǒng)中的早期故障，并提供一種區(qū)分產(chǎn)品性能水平的方法。盡管市場(chǎng)中的追加保證金通知可能風(fēng)險(xiǎn)更大，但保護(hù)自己免受電子保證金的低收益陷阱也很重要。