數(shù)字控制器IC使用黑匣子工具和在線診斷功能最大限度地減少現(xiàn)場回訪

作者：Subodh Madiwale和Vuong Tran

黑匣子診斷使用先進(jìn)的數(shù)字控制器，通過提高故障信息的準(zhǔn)確性和減少故障診斷的周轉(zhuǎn)時間，提供了徹底改變客戶退貨故障分析的機(jī)會。

本文包含哪些內(nèi)容？

數(shù)字控制器IC，使用黑匣子工具和在線診斷功能最大限度地減少現(xiàn)場回波

黑匣子內(nèi)容

數(shù)據(jù)檢測和恢復(fù)

EEPROM 壽命和數(shù)據(jù)保留

電源公司可以通過使用黑匣子來借用飛機(jī)工業(yè)的概念，該黑匣子監(jiān)控操作并存儲該數(shù)據(jù)以供故障審查。這一概念將有助于對現(xiàn)場退貨進(jìn)行故障分析，這對公司及其客戶來說可能是昂貴的時間和金錢，并且診斷和報告全面故障分析的額外時間壓力可能會進(jìn)一步使供應(yīng)商與客戶的關(guān)系緊張。擁有適當(dāng)?shù)墓收显\斷工具來快速調(diào)試和解決問題可能意味著產(chǎn)品成功與失敗之間的差異。您可以為隔離電源系統(tǒng)配置ADP1055高級PMBus?數(shù)字控制器IC，以提供在線黑匣子。

通過在線診斷和在線黑匣子，可以緩解問題，從長遠(yuǎn)來看，這些問題會帶來更強(qiáng)大的設(shè)計實(shí)踐和系統(tǒng)知識。在線黑匣子具有一個數(shù)據(jù)記錄器，記錄關(guān)鍵事件或中斷之前電源的所有相關(guān)和關(guān)鍵信息。除了電源，您還可以輕松地將此概念應(yīng)用于其他系統(tǒng)。

黑匣子操作

ADP1055的黑匣子功能可以在EEPROM中記錄有關(guān)導(dǎo)致系統(tǒng)關(guān)斷的故障的重要數(shù)據(jù)。黑匣子診斷工具有兩個基本功能：首先，第一個標(biāo)志ID功能記錄第一個故障實(shí)例，例如過流，電壓和溫度;其次，當(dāng)控制器遇到此類故障時，將捕獲遙測的快照（如圖 1 所示）。此信息將保存到嵌入式非易失性EEPROM中，稍后可以檢索該信息以進(jìn)行調(diào)試。在存在多個故障的情況下，黑匣子會捕獲導(dǎo)致系統(tǒng)關(guān)閉的第一個標(biāo)志 ID 以及所有遙測信息。

圖1.來自 GUI 的黑匣子標(biāo)志顯示 V外OV FAST 故障作為第一個故障 ID

由于數(shù)字控制電源中有多個參數(shù)被測量，因此ADP1055采用專用（非多路復(fù)用）Σ-Δ型ADC，這些ADC隨時間推移對電壓、電流和溫度等每次測量進(jìn)行平均，為確保捕獲準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，在關(guān)斷時將測量數(shù)量記錄到黑匣子中。

此黑匣子功能對于在測試和評估期間對故障系統(tǒng)進(jìn)行故障排除非常有幫助。如果召回系統(tǒng)進(jìn)行故障分析，則可以從EEPROM讀取此信息，以幫助調(diào)查故障的根本原因。

有幾個選項可用于記錄到黑匣子，其中包括：

無錄音，黑匣子禁用

僅在最終關(guān)閉之前記錄遙測數(shù)據(jù)

記錄最終關(guān)機(jī)和所有間歇性重試嘗試的遙測數(shù)據(jù)（如果設(shè)備設(shè)置為關(guān)機(jī)并重試）

使用 CTRL 引腳或 OPERATION 命令記錄最終關(guān)斷、所有重試嘗試和正常關(guān)斷操作的遙測數(shù)據(jù)（如 PMBus 所述）

黑匣子內(nèi)容

EEPROM的兩頁（A頁和B頁）專門用于存儲黑匣子內(nèi)容。這允許總共 16 條記錄（每頁由 8 條記錄組成，每條記錄 64 個字節(jié)）。這兩個頁面形成一個循環(huán)緩沖區(qū)，用于記錄黑盒信息，其中數(shù)據(jù)每 16 個被覆蓋千記錄。

EEPROM是一種頁面擦除存儲器，這意味著必須先擦除整個頁面，然后才能寫入頁面。由于EEPROM的頁面擦除要求，在寫入任何頁面的第八條記錄后，下一頁會自動擦除，以允許連續(xù)的黑盒記錄。

每次在黑匣子中寫入記錄時，設(shè)備都會遞增記錄編號。每個黑盒寫入記錄圖 1 和圖 2 中列出的 PMBus 和制造商特定寄存器。

圖2.來自圖形用戶界面的黑盒讀數(shù)。

單個黑盒記錄大約需要 1.2 毫秒的編程時間。但是，必須考慮增加的頁面擦除時間，以確保成功記錄錯誤。在ADP1055器件中，每頁可以寫入8條記錄，因此只要記錄號是8n ? 1（n>0）的倍數(shù)，就會在另一頁上啟動頁面擦除操作。擦除操作需要額外的 32 毫秒才能完成。因此，每次（8n ? 1）寫入也需要頁面擦除，這使得總記錄時間達(dá)到33.2毫秒。建議每個關(guān)機(jī)和重試周期之間的最小延遲時間大于最小黑盒編程時間，即 1.2 毫秒，在最壞情況下可以延長到 33.2 毫秒。

圖 3 顯示了寫入操作的計時。成功記錄黑匣子的另一個考慮因素是電源電壓或V的損失DD到集成電路。ADP1055需要一個恒定的VDD正常工作和黑匣子操作為 3.3 V。通常在隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器中，輔助電源或始終接通電源為控制器供電。在其他情況下，V上的保持電容DD引腳可用于將電壓保持在 UVLO 閾值以上。

圖3.黑盒寫入操作。

黑匣子回讀

可以使用兩個專用的制造商特定命令來回讀存儲在EEPROM中的黑盒數(shù)據(jù)的內(nèi)容。READ_ BLACKBOX_CURR 命令是一個塊讀取命令，它返回當(dāng)前記錄 N（保存的最后記錄）以及所有相關(guān)數(shù)據(jù)，如“黑盒內(nèi)容”部分中所定義。READ_BLACKBOX_PREV 命令是一個塊讀取命令，它返回上一條記錄 N ? 1（靠近保存的最后一條記錄）的數(shù)據(jù)。由于這些命令是塊讀取命令，因此接收的第一個字節(jié)稱為BYTE_COUNT，并向 PMBus 主站指示還要讀取多少字節(jié)。

建議使用ADP1055 GUI查看黑盒數(shù)據(jù)，因?yàn)樗砸子陂喿x、用戶可訪問的格式顯示整個黑匣子內(nèi)容。

ADP1055中的黑匣子功能使用數(shù)據(jù)包錯誤檢查（PEC）來確保數(shù)據(jù)有效性。每個黑盒記錄末尾的 PEC 字節(jié)特定于每個記錄，并使用循環(huán)冗余校驗(yàn) （CRC） 8 多項式計算。在寫入EEPROM時，PEC字節(jié)將附加到數(shù)據(jù)中，并且是該記錄的最后一個有效字節(jié)。在從EEPROM讀取時，每條記錄的標(biāo)頭塊用于計算預(yù)期的PEC代碼，并將該內(nèi)部計算的PEC代碼與接收的PEC字節(jié)進(jìn)行比較。如果比較失敗，則設(shè)置STATUS_CML寄存器中的PEC_ERR位，并且由于數(shù)據(jù)的有效性已受到損害，該記錄將被丟棄。

數(shù)據(jù)檢測和恢復(fù)

黑匣子算法依賴于足夠的時間來保存黑匣子數(shù)據(jù)和/或執(zhí)行頁面擦除操作來準(zhǔn)備黑匣子進(jìn)行記錄。在 V 的情況下DD在最短編程時間過去之前折疊，則有可能損壞EEPROM中的數(shù)據(jù)。此外，如果 VDD在EEPROM擦除操作期間折疊，黑匣子內(nèi)的數(shù)據(jù)也可能損壞。

在這種情況下，黑盒算法可以檢測到發(fā)生了數(shù)據(jù)損壞，并嘗試采取糾正措施以恢復(fù)正確的黑盒記錄。請注意，黑匣子不會嘗試更正損壞的數(shù)據(jù)，而是忽略損壞的記錄并恢復(fù)記錄在不同的記錄。下面的說明詳細(xì)介紹了此方案。

在 V 期間DD上電時，讀取EEPROM兩頁中所有記錄的標(biāo)頭塊，并確定記錄是否有效。如果記錄通過以下測試，則該記錄有效：

標(biāo)頭塊和 PEC 字節(jié)不能全部為 1，因?yàn)檫@是頁面擦除后每條記錄的初始數(shù)據(jù)。

計算出的 PEC 代碼（使用標(biāo)頭塊中的數(shù)據(jù)）必須與收到的 PEC 字節(jié)匹配。

記錄編號必須在有效記錄范圍內(nèi)，但它必須大于當(dāng)前記錄編號且小于最大記錄編號。

如果記錄未通過上述任何測試，則該記錄將被視為無效并被丟棄。如果記錄通過所有測試，則會更新指向最后一個有效記錄編號的指針。以下信息顯示了兩種情況，其中潛在的 VDD崩潰可能會導(dǎo)致數(shù)據(jù)損壞及其恢復(fù)過程。

場景 1

在 V 的場景中DD在記錄完成之前折疊，PEC 字節(jié)（即寫入的最后一個字節(jié)）很可能會損壞。在 V 上的掃描過程中DD通電后，此記錄將無法通過測試 2 并將被丟棄。

在通電掃描過程中，如果A頁上的記錄未通過測試2，則B頁將被擦除，下一個記錄指針將是B頁的第一條記錄。例如

頁面 A 有：

0. 有效Rec_No_0

1.有效期Rec_No_1

2.有效期Rec_No_2

3.有效期

Rec_No_3 4.有效期Rec_No_4

5.有效期

Rec_No_5 6.有效期

Rec_No_6 7.有效Rec_No_7

頁面 B 有：

8. 有效Rec_No_8

9.有效期

Rec_No_9 10。有效期Rec_No_10

11.有效期

Rec_No_11 12.無效Rec_No_12（由于丟失 V 而損壞）DD;上電時測試 2 失敗

）

13.空

14.空

15?？?/p>

在掃描過程結(jié)束時，

最后一條有效記錄是第 B 頁的Rec_No_11

丟棄頁面 B 的無效Rec_No_12，并設(shè)置PEC_ERR

頁面 A 將被擦除，下一個用于存儲的記錄是頁面 A 的Rec_No_16

READ_BLACKBOX_CURR返回Rec_No_11

READ_BLACKBOX_PREV返回Rec_No_10

請注意，B 頁的 Rec_No 12-15 丟失，但這是可以接受的，可以恢復(fù)黑盒記錄過程的正常運(yùn)行。

場景 2

在 V 的情況下DD折疊 在頁面擦除完成之前，您有可能在正在擦除的整個頁面上出現(xiàn)數(shù)據(jù)損壞。在 V 上的掃描過程中DD通電后，此頁面的所有記錄可能無法通過測試 2，也可能未通過測試 3，在這種情況下，記錄將被丟棄。

頁面 A 有：

0. 有效Rec_No_0

1.有效期Rec_No_1

2.有效期Rec_No_2

3.有效期

Rec_No_3 4.有效期Rec_No_4

5.有效期

Rec_No_5 6.有效期

Rec_No_6 7.有效Rec_No_7（黑匣子錄制成功;但是，

由于丟失 V 鍵，頁面擦除已損壞DD）

頁面 B 有：

8.由于V丟失而損壞DD在頁面擦除期間，遵循

Rec_No_7 9。由于丟失 V 而損壞DD在頁面擦除期間，遵循Rec_No_7

10。由于丟失 V 而損壞DD在Rec_No_7

11 之后的頁面擦除期間。由于丟失 V 而損壞DD在頁面擦除期間遵循Rec_No_7

12.由于丟失 V 而損壞DD在

Rec_No_7 13 之后的頁面擦除期間。由于丟失 V 而損壞DD在頁面擦除期間遵循Rec_No_7

14.由于丟失 V 而損壞DD在頁面擦除期間遵循Rec_No_7

15.由于丟失 V 而損壞DD在頁面擦除期間，遵循以下Rec_No_7

在掃描過程結(jié)束時，

最后一條有效記錄是第 A 頁的Rec_No_7

通過頁面 B 的Rec_No_15無效Rec_No_8將被丟棄，并設(shè)置PEC_ERR

頁面 B 將被擦除，下一個用于存儲的記錄是頁面 B 的Rec_No_8

READ_BLACKBOX_CURR返回Rec_No_7

READ_BLACKBOX_PREV返回Rec_No_6

請注意，在這種情況下，不會丟失記錄，因?yàn)槲赐瓿傻捻撁?B 擦除操作在通電時重新啟動。

EEPROM 壽命和數(shù)據(jù)保留

ADP1055的EEPROM經(jīng)過專門設(shè)計，知道電源可在現(xiàn)場工作，使用壽命長。ADP1055的EEPROM在125°C下的數(shù)據(jù)保留期長達(dá)15年。 此外，在電源的使用壽命期間，可能會對EEPROM進(jìn)行多次寫入，這也是數(shù)據(jù)保留的一個限制因素。為了在過長的擦除程序周期后提高EEPROM的數(shù)據(jù)可靠性，ADP1055將故障記錄的最大數(shù)量限制為158，000（當(dāng)ADP1055的環(huán)境溫度低于85°C時推薦）或16，000（當(dāng)ADP1055的環(huán)境溫度低于125°C時）。

在每次黑匣子記錄到 EEPROM 之后，當(dāng)前記錄編號遞增。如果發(fā)生故障并且當(dāng)前記錄數(shù)大于上述最大記錄數(shù)，則不允許進(jìn)行額外的黑盒記錄，因?yàn)镋EPROM已達(dá)到其允許的最大擦除程序周期，并且任何額外的記錄都不可靠。STATUS_CML寄存器中的MEM_ERR位設(shè)置為指示此條件。

圖4描述了ADP1055是一款具有黑匣子功能的高級數(shù)字DC-DC控制器，如何在典型應(yīng)用中使用。它適用于全橋、相移和有源正激鉗位等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。它具有多種功能，例如冗余 OVP、平均和峰值過流保護(hù)、帶微型 FPGA 的 GPIO 以及有源緩沖器。ADP1055還可用作多相控制器。配置黑匣子不需要額外的硬件。ADP1055基于FSM（有限狀態(tài)機(jī)），具有專用邏輯，易于使用，因此用戶無需學(xué)習(xí)任何新的編程語言，因此不涉及固件。

圖4.采用ADP1055的隔離式DC-DC功率級的高級視圖

黑匣子功能也可以在制造流程中有效部署，以檢測產(chǎn)品驗(yàn)證和試生產(chǎn)早期階段的老化和壓力測試故障。黑匣子將電源調(diào)試提升到一個新的水平，并為復(fù)雜系統(tǒng)的故障排除提供了重點(diǎn)指南。通過消除黑匣子記錄儀發(fā)現(xiàn)的設(shè)計問題，從而減少客戶故障并改善可靠性指標(biāo)，例如故障間隔時間 （MTBF）

審核編輯：郭婷