【摘要】某產(chǎn)品研發(fā)階段在做四角實驗的過程中，發(fā)現(xiàn)單板在低溫下出現(xiàn)反復(fù)重啟動的問題，經(jīng)過反復(fù)的實驗和定位，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)重啟動的問題。

一、問題的提出

該產(chǎn)品是一款有線通信設(shè)備，CPU為1.0V核電壓。在該單板做四角實驗過程中，溫循實驗發(fā)現(xiàn)單板有重啟問題，現(xiàn)象是：低溫實驗，會存在重啟現(xiàn)象了，多次試驗重啟故障必現(xiàn)。從這個現(xiàn)象看，單板應(yīng)該是存在設(shè)計缺陷，對低溫特別敏感。

二、分析過程

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

1、時鐘信號

該單板主時鐘為25MHz，通過外部晶體提供。將時鐘信號飛線引出，同時放在溫箱中。在低溫下，發(fā)現(xiàn)該單板復(fù)位的時候，時鐘信號并未出現(xiàn)異常。這里初步排除了不是晶體的問題。

2、電源

其次，考慮是單板上的電源有瞬間跌落的問題，從而導(dǎo)致單板復(fù)位。通過用示波器在溫箱內(nèi)監(jiān)測。主要監(jiān)測了單板上的3.3V、1.8V、1.5V（DDR3電源）和 1.0V （CPU核電源）。在單板復(fù)位信號出現(xiàn)的時候，并沒有發(fā)現(xiàn)上述電源有過跌落。進(jìn)一步監(jiān)測1.8V、1.5V和1.0V電源紋波的時候，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，該紋波會繼續(xù)增大。當(dāng)1.0V電源紋波增大到一定程度時候，單板出現(xiàn)復(fù)位。通過使用復(fù)位信號做觸發(fā)，監(jiān)測1.0V的紋波，發(fā)現(xiàn)1.0V紋波變大的時候，恰好是復(fù)位信號出現(xiàn)的時候，在時序上是可以對準(zhǔn)的。

圖1 單板復(fù)位信號和1.0V紋波信號

圖2 單板復(fù)位信號和1.0V紋波信號放大

進(jìn)一步測量1.0V紋波隨溫度變化情況：在環(huán)境溫度降到＜0度時候，1.0V紋波即開始變大；隨著溫度繼續(xù)降低，紋波越來越大，直到紋波達(dá)到到200MV左右，單板復(fù)位。為驗證是1.0電源紋波的問題，從1.0V電源的輸出電感處，斷開了單板上的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。實驗發(fā)現(xiàn)，用外部電源后，單板在低溫下，沒有出現(xiàn)復(fù)位問題。對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1.0V電源紋波問題，主要考慮：1、電源環(huán)路參數(shù)問題，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。因為環(huán)路參數(shù)需要DCDC廠家支持配合驗證，這里優(yōu)先自行排查可能性2。針對這個問題，從芯片手冊和收集的資料上看，確實有相關(guān)的解釋：根據(jù)1.0V電源選擇的DC-DC芯片的手冊上看，輸出的電源紋波和輸出電容的ESR以及開關(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)境下測量DCDC開關(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，在電容的手冊中，沒有提到電容的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，多用下圖的簡化方式來表示：

圖5? 電容簡化圖

導(dǎo)致ESR變化兩個常見因素是：

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，理論計算基本與現(xiàn)象符合。

三、解決方法

為此，要解決這個問題，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)鋁電解電容來替換。替換后，單板在低溫下正常，不再復(fù)位。

四、總結(jié)

雖然最后的解決方法很簡單，但整個定位的過程和解決方法，在以后實驗中還是具有一定的借鑒作用。本文闡述的實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，在大電容選擇的時候，可以參考。

審核編輯：湯梓紅