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)運行并存儲運行數(shù)據(jù)，以便在發(fā)生故障后進(jìn)行檢查。該概念將有助于對返修品進(jìn)行故障分析。對電源公司及其客戶而言，返修可能會耗費相當(dāng)多的時間和資金，而且診斷和出具全面故障分析報告的時間壓力可能會使供應(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\斷工具來快速調(diào)試并解決問題，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)，您可以配置它來提供線路內(nèi)黑盒功能。

　　利用在線診斷和線路內(nèi)黑盒，問題可得到緩解，而且從長期來看，這些問題會使設(shè)計更加魯棒并增進(jìn)廠商對系統(tǒng)的了解。線路內(nèi)黑盒具有一個數(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，例如過流、過壓和過溫引起的故障；第二，當(dāng)控制器遇到此類故障時，獲取遙測快照（如圖1所示）。此信息被保存到嵌入式非易失性EEPROM，以后進(jìn)行診斷時可以讀取。若有多個故障，黑盒會捕捉第一個引起系統(tǒng)關(guān)斷的故障標(biāo)志ID以及所有遙測信息。

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

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

　　在測試和評估期間，黑盒特性對排除系統(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中讀取這些信息來協(xié)助調(diào)查產(chǎn)生故障的根本原因。

　　針對黑盒記錄提供了多種選項，包括：不記錄，黑盒禁用；僅記錄最終關(guān)斷前的遙測信息；記錄最終關(guān)斷的遙測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PMBus說明）記錄最終關(guān)斷、所有重試嘗試和正常掉電操作的遙測信息

　　黑盒內(nèi)容

　　EEPROM中有兩頁（Page A和Page B）專用于存儲黑盒內(nèi)容?？偣部梢源鎯?6條記錄，每頁8條記錄，每條64字節(jié)。兩頁組成循環(huán)緩沖器，用于記錄黑盒信息，其中的數(shù)據(jù)每過16條記錄就會被覆蓋。

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

　　每次將一條記錄寫入黑盒時，器件便會遞增記錄編號。每次黑盒寫操作都會記錄圖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)

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

　　圖3. 黑盒寫操作

　　圖3所示為寫操作的時序。黑盒成功記錄的另一個考慮因素是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VDD引腳上的保持電容來將電壓維持在UVLO閾值以上。

　　黑盒回讀

　　有兩個專用制造商特定命令可用來回讀EEPROM中存儲的黑盒數(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“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)稱為BYTE_COUNT，告知PMBus主機還有多少字節(jié)需要讀取。

　　建議通過ADP1055 GUI查看黑盒數(shù)據(jù)，因為它能以便于閱讀、用戶可訪問的格式顯示所有黑盒內(nèi)容。

　　ADP1055的黑盒特性使用分組差錯校驗（PEC）來保證數(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（CRC） 8多項式計算。寫入EEPROM時，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，每條記錄的頭塊用于計算預(yù)期PEC碼，然后將此內(nèi)部計算的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，因為數(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)過專門設(shè)計，確保電源可在現(xiàn)場長時間工作。ADP1055的EEPROM在125 °C時的數(shù)據(jù)保存期限長達(dá)15年。另外，在電源壽命期間可多次寫入EEPROM，這也是數(shù)據(jù)保存期限的一個限制因素。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時的建議值）或16，000條（ADP1055環(huán)境溫度低于125 °C時的建議值）。

　　黑盒每次將記錄存儲到EEPROM之后，當(dāng)前記錄數(shù)就會遞增。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，因為EEPROM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)洌⒕哂卸囗椆δ?，比如冗余OVP、平均和峰值過流保護(hù)、帶微型FPGA的GPIO有源吸收器。ADP1055也可用作多相控制器。配置黑盒無需其他硬件。不涉及到固件，因為ADP1055基于FSM（有限狀態(tài)機），具有專用邏輯，易于使用，用戶不必學(xué)習(xí)任何新的編程語言。

　　黑盒功能還可在制造流程中有效進(jìn)行部署，用以檢測產(chǎn)品驗證階段和試生產(chǎn)初級階段的老化測試和壓力測試故障。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)計問題而減少客戶故障，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還為實現(xiàn)最低元件數(shù)量、最大靈活性和最少設(shè)計時間進(jìn)行了優(yōu)化。具體特性包括差分遠(yuǎn)程電壓檢測、原邊和副邊電流檢測、脈寬調(diào)制（PWM）產(chǎn)生、頻率同步、冗余OVP和均流。控制環(huán)路數(shù)字濾波器和補償功能已集成至該器件，可通過PMBus接口編程?？删幊瘫Ｗo(hù)功能包括過流保護(hù)（OCP）、過壓保護(hù)（OVP）、欠壓閉鎖（UVLO）和外部過溫保護(hù)（OTP）。內(nèi)置EEPROM可為集成環(huán)路濾波器、PWM信號時序、浪涌電流、軟啟動時序和時序控制提供全面編程選擇。內(nèi)置校驗和與可編程保護(hù)電路使器件的可靠性得以增強。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)計和安全特性編程。PMBus符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可訪問許多監(jiān)控和系統(tǒng)測試功能。ADP1055提供32引腳LFCSP封裝，采用3.3 V單電源供電。

　　作者簡介

　　SubodhMadiwale是ADI公司位于美國加州圣何塞的電源管理部門的應(yīng)用工程師。之前在PI公司擔(dān)任現(xiàn)場應(yīng)用工程師，負(fù)責(zé)設(shè)計電源。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SOC改進(jìn)系統(tǒng)等。他擁有美國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公司位于美國加州圣何塞的電源管理部門的IC設(shè)計工程師，專注于ADI數(shù)字電源系列產(chǎn)品。加入電源管理部門以前，Vuong隸屬DSP部門開發(fā)團(tuán)隊，負(fù)責(zé)將Blackfin?處理器產(chǎn)品推向市場。Vuong擁有美國明尼蘇達(dá)大學(xué)電氣工程和土木工程雙學(xué)士學(xué)位。