客戶退貨資訊不明已成為電源供應(yīng)商及電力系統(tǒng)制造商亟待解決的問(wèn)題；而利用內(nèi)建黑盒子記錄功能的數(shù)位控制器來(lái)記錄電源供應(yīng)器運(yùn)作過(guò)程，不僅能為試產(chǎn)做驗(yàn)證,，更可使除錯(cuò)效能大增，有效改善退貨的診斷方式,，提高認(rèn)證可靠度。

　　對(duì)于電源供應(yīng)器及電力系統(tǒng)制造商來(lái)說(shuō),，客戶的退貨是一個(gè)主要的頭疼問(wèn)題,。這類退貨通常只會(huì)提供很有限且不明確的失效機(jī)制資訊，以及環(huán)境條件和“犯罪現(xiàn)場(chǎng)”的模糊細(xì)節(jié),；而須要依這些粗糙的資訊來(lái)診斷并提出失效分析完整報(bào)告的時(shí)間壓力卻是持續(xù)的收縮,，隨著設(shè)計(jì)進(jìn)展到不同的階段，從原型到量產(chǎn)再到終端客戶,，除錯(cuò)及修正問(wèn)題相關(guān)的成本很自然地增加，這還不包括客戶關(guān)系上及信譽(yù)的損失,。

　　此外,，在客戶退貨中，有一個(gè)相當(dāng)比例看起來(lái)是屬于“未發(fā)現(xiàn)問(wèn)題”的退貨類別,。此種退貨通常不加以處理,，從而永遠(yuǎn)不會(huì)被正確的診斷，導(dǎo)致發(fā)生在終端客戶系統(tǒng)上的真正失效機(jī)制被掩蓋掉的風(fēng)險(xiǎn),。舉例來(lái)說(shuō),，任何會(huì)造成過(guò)高溫限制(Over Temperature Trip)的失效問(wèn)題，會(huì)在客戶設(shè)備中出現(xiàn)停機(jī)現(xiàn)象,，但退回制造商時(shí)卻又看似功能正常,。

　　這個(gè)問(wèn)題可以透過(guò)類似飛機(jī)飛行記錄器概念的內(nèi)建“黑盒子”來(lái)獲得解決，可以在當(dāng)機(jī)發(fā)生前補(bǔ)捉到關(guān)鍵的資訊,。本文將介紹用在隔離式電源供應(yīng)系統(tǒng)中的先進(jìn)PMBus數(shù)位控制器--ADP1055,，如何使用其內(nèi)部的黑盒子來(lái)記錄與儲(chǔ)存關(guān)鍵的資訊，此資料可以提供給電源系統(tǒng)制造商及終端系統(tǒng)使用者,，以改善現(xiàn)場(chǎng)客戶退貨的診斷,，并提高認(rèn)證過(guò)程的可靠性,。

　　記錄資料至黑盒子的選項(xiàng)

　　這款先進(jìn)PMBus數(shù)位控制器的黑盒子特點(diǎn)功能，讓它可以將造成系統(tǒng)當(dāng)機(jī)原因的重要資料,，記錄到EEPROM中,。黑盒子診斷工具可以被視為兩個(gè)部份，首先第一旗標(biāo)識(shí)別碼(First Flag ID)功能會(huì)記錄失效發(fā)生的第一個(gè)情況,，諸如過(guò)電流/電壓/溫度等,。

　　接著，當(dāng)控制器碰到如此的失效時(shí),，遙測(cè)結(jié)果的快照會(huì)被擷取下來(lái)(圖1),，此資訊會(huì)被存在嵌入式非揮發(fā)EEPROM，以便稍后取出做為除錯(cuò)用途,；當(dāng)有多個(gè)失效出現(xiàn)時(shí),，造成系統(tǒng)停機(jī)的第一旗標(biāo)識(shí)別碼及所有的遙測(cè)資訊，會(huì)被補(bǔ)捉到黑盒子中,。

　　圖1　從GUI中所看到的黑盒子旗標(biāo),，顯示第一個(gè)失效ID為VOUT_OV_FAST。

　　由于在數(shù)位控制式電源供應(yīng)器中,，有多個(gè)參數(shù)須被量測(cè),，因此該控制器為每一個(gè)量測(cè)項(xiàng)，如電壓,、電流,、及溫度，采用了專屬的(而非多工的)時(shí)間平均Sigma-Delta ADC,，且為確保能補(bǔ)捉到正確的資料,，量測(cè)到的數(shù)量會(huì)在當(dāng)機(jī)的瞬間被記錄到黑盒子中。

　　這個(gè)黑盒子的功能在測(cè)試與評(píng)估時(shí),，對(duì)于失效系統(tǒng)的故障排除非常有幫助,，如果系統(tǒng)因失效分析而被召回時(shí)，可以從此EEPROM讀回此資訊,，以協(xié)助失效原因的調(diào)查,。

　　在記錄資料到黑盒子時(shí)，可以有以下的幾個(gè)選項(xiàng)：

　　?不記錄,，黑盒子功能關(guān)閉,。

　　?只在最后的停機(jī)前瞬間記錄遙測(cè)值。

　　?記錄最后的停機(jī)及所有斷續(xù)重試嘗試(如果IC被設(shè)定為停機(jī)與重試)的遙測(cè)值,。

　　?記錄最后的停機(jī),、所有重試嘗試，以及透過(guò)CTRL接腳或OPERATION指令(如PMBus所敘述)來(lái)正常關(guān)機(jī)動(dòng)作時(shí)的遙測(cè)值。

　　EEPROM可存放黑盒子內(nèi)容

　　EEPROM中有兩頁(yè)(A頁(yè)與B頁(yè))是專門用來(lái)存放黑盒子的內(nèi)容,，相當(dāng)于總共十六筆的記錄(每一頁(yè)包含了八筆各有64位元組的記錄),，此兩頁(yè)形成了一個(gè)循環(huán)緩沖，以記錄黑盒子資訊,，而其資料在每第十六筆記錄時(shí)會(huì)被覆寫,。

　　EEPROM是一種頁(yè)清除(Page-erase)型式的記憶體，亦即各頁(yè)必須在整個(gè)頁(yè)都被清除之后,，才能再被寫入,。由于EEPROM具有此頁(yè)清除的特性，在寫入任何一頁(yè)的第八筆記錄之后,，下一頁(yè)會(huì)自動(dòng)被清除以容許后續(xù)的黑盒子記錄,。

　　每次一筆記錄被寫入黑盒子時(shí)，此晶片就會(huì)累進(jìn)記錄編號(hào),。每一次的黑盒子寫入,，都會(huì)記錄PMBus及制造商的特有暫存器，內(nèi)容如圖1及圖2,。

　　圖2　從GUI看到的黑盒子數(shù)值

　　黑盒子記錄時(shí)間考量

　　單一筆黑盒子記錄約需1.2ms來(lái)寫入,，但還有一額外的頁(yè)清除時(shí)間必須被列入考慮，以確保失效記錄能成功,。在PMBus數(shù)位控制器中,，每一頁(yè)可被寫入八筆記錄，因此每當(dāng)記錄編號(hào)為8n-1(n>0)時(shí),，就會(huì)對(duì)另一頁(yè)進(jìn)行頁(yè)清除動(dòng)作,，此清除動(dòng)作須耗掉額外的32ms來(lái)完成(圖3)。

　　圖3　黑盒子的寫入動(dòng)作

　　也就是說(shuō),，每一個(gè)“第(8n-1)筆寫入”都需要一次頁(yè)清除,，而這會(huì)讓整個(gè)記錄時(shí)間累積到33.2ms。每一個(gè)停機(jī)及重試周期之間的最小延遲時(shí)間,，最好能比最短黑盒子寫入時(shí)間來(lái)得長(zhǎng)，也就是1.2ms,，且在最差的狀況下可延長(zhǎng)到33.2ms,。

　　要讓黑盒子成功記錄的另一個(gè)考量點(diǎn)，是要確保IC的電源供應(yīng)電壓或VDD不失電,。ADP1055需要一穩(wěn)定的3.3V VDD,，來(lái)維持其本身及黑盒子的正常作業(yè)。一般來(lái)說(shuō),，在一隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器中,，會(huì)由輔助或常開(kāi)型供應(yīng)器提供電力給控制器。在其他情況下,，可以透過(guò)一VDD接腳上的停滯(Holdup)電容,，將電壓維持在UVLO臨界值之上,。

　　黑盒子讀回功能簡(jiǎn)介

　　此IC有兩個(gè)制造商特有的專屬指令，可以用來(lái)讀回儲(chǔ)存在EEPROM中的黑盒子資料,。READ_ BLACKBOX_CURR指令為一區(qū)讀取(Block-Read)指令,，它會(huì)依本文中黑盒子的內(nèi)容段的定義方式，回傳目前記錄N(最后被儲(chǔ)存的記錄)及所有相關(guān)資料,。

　　READ_BLACKBOX_PREV指令為一區(qū)讀取指令,，它會(huì)讀取前一筆的記錄N-1(倒數(shù)第二筆被儲(chǔ)存的記錄)資料。由于這些指令為區(qū)讀取指令,，因此第一個(gè)收到的位元組被稱為BYTE_COUNT,，是用來(lái)告知PMBus的主控者還有多少位元組要讀。 觀看黑盒子資料時(shí),，建議用ADP1055 GUI,，因?yàn)樗峁┝艘鬃x且使用者可存取的格式，來(lái)顯示整個(gè)黑盒子的內(nèi)容(圖2),。

　　資料毀損功能

　　ADP1055中的黑盒子功能采用了封包錯(cuò)誤檢查(Packet Error Checking, PEC)來(lái)確保資料的有效性,，每一筆黑盒子記錄的最后一個(gè)PEC位元組，都是該筆記錄專屬,，且透過(guò)周期性冗余檢查(Cyclic Redundancy Check, CRC)-8多項(xiàng)式所計(jì)算出來(lái)的,。

　　在寫入EEPROM時(shí)，PEC位元組會(huì)被附在資料上且是該筆記錄的最后一個(gè)有效位元組,。在讀取EEPROM時(shí),，每一筆記錄的頭區(qū)(Header Block)會(huì)被用來(lái)計(jì)算出一預(yù)期PEC碼，而此內(nèi)部計(jì)算出來(lái)的PEC碼會(huì)與接收到的PEC碼進(jìn)行比較,。如果比較結(jié)果為不符,，STATUS_CML暫存器中的PEC_ERR位元會(huì)被設(shè)定，而該記錄會(huì)因資料的有效性受到危及而被棄置,。

　　資料偵測(cè)及復(fù)原功能

　　黑盒子演算法須要有充足的時(shí)間來(lái)儲(chǔ)存黑盒子資料,，及/或進(jìn)行頁(yè)清除動(dòng)作，以便將黑盒子準(zhǔn)備好來(lái)進(jìn)行記錄,。當(dāng)VDD在最小寫入時(shí)間結(jié)束前就崩潰的情況下,，就有可能發(fā)生EEPROM中資料的毀損；此外,，如果VDD在EEPROM清除動(dòng)作進(jìn)行時(shí)崩潰,，黑盒子內(nèi)的資料也可能毀損。

　　當(dāng)此情形發(fā)生時(shí)候,，黑盒子演算法會(huì)偵測(cè)到資料毀損,，并試圖采取矯正動(dòng)作以便讓黑盒子的記錄繼續(xù)下去。請(qǐng)留意黑盒子不會(huì)嘗試去修正毀損的資料，而是忽略毀損的資料,，并在另一筆記錄中回復(fù)繼續(xù)進(jìn)行記錄,。以下的敘述將詳細(xì)說(shuō)明此情節(jié)。

　　在VDD電源啟動(dòng)時(shí),，EEPROM兩頁(yè)中所有記錄的頭區(qū)會(huì)被讀取,，并被判斷是否有效。如果該筆記錄能通過(guò)以下的測(cè)試,，就會(huì)被視為有效：

　　?頭區(qū)與PEC位元組不可全部是1,，因?yàn)檫@是每一筆記錄在頁(yè)清除之后的初始資料。

　　?計(jì)算出來(lái)的PEC碼(使用來(lái)自頭區(qū)的資料)必須符合接收到的PEC位元組,。

　　?記錄的編號(hào)必須落在有效記錄的范圍內(nèi),，也就是說(shuō)，必須大于目前的記錄編號(hào)且小于最大記錄編號(hào),。

　　如果記錄無(wú)法通過(guò)以上任一測(cè)試,，該記錄會(huì)被視為無(wú)效并被棄置。若記錄通過(guò)所有測(cè)試,，則指到最后一筆有效記錄的指標(biāo)器(Pointer)將被更新,。

　　EEPROM的平均生命期與資料保留

　　先進(jìn)PMBus數(shù)位控制器內(nèi)部的EEPROM，是特別以電源供應(yīng)器須能夠長(zhǎng)期在現(xiàn)場(chǎng)使用的條件,，做為其設(shè)計(jì)考量的,。該EEPROM在125℃的條件下，具有高達(dá)15年的資料保存壽命,。此外,，在電源供應(yīng)器的生命期內(nèi)，會(huì)有多次寫入EEPROM,，這也會(huì)是資料保存的限制因素,。

　　為了改善EEPROM在過(guò)多次清除-寫入周期之后的資料可靠度，先進(jìn)PMBus數(shù)位控制器將最大失效記錄的最大數(shù)量限制在158,000(當(dāng)ADP1055的環(huán)境溫度低于85℃時(shí)的建議值),，或16,000(當(dāng)ADP1055的環(huán)境溫度低于125℃時(shí)的建議值),。

　　在每次黑盒子記錄到EEPROM之后，目前的記錄編號(hào)就會(huì)被累進(jìn),；當(dāng)失效發(fā)生而目前的記錄編號(hào)大于上述的最大記錄編號(hào)時(shí),，由于EEPROM已達(dá)到其最大容許清除-寫入周期數(shù)，任何新增的記錄已不可靠,，因此不會(huì)再允許額外的黑盒子記錄,，STATUS_CML暫存器中的MEM_ERR位元會(huì)被設(shè)定以顯示此狀況,。

　　先進(jìn)數(shù)位控制器可提供失效分析功能

　　圖4敘述了具有黑盒子功能的先進(jìn)數(shù)位DC-DC控制器ADP1055,，如何被使用在一典型的應(yīng)用中，它適用于諸如全橋式(Full Bridge)、相位偏移(Phase Shifted),、主動(dòng)箝位順向(Active Clamp Forward)等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),，并具有多種特點(diǎn)，如冗余OVP,、平均與峰值過(guò)電流保護(hù),、使用mini FPGA的GPIO、及主動(dòng)緩沖器(Snubber)(圖5),。

　　圖4　采用PMBus數(shù)位控制器的隔離DC-DC功率級(jí)架構(gòu)圖

　　圖5　ADP1055評(píng)估板 圖片來(lái)源：亞德諾

　　本文介紹了使用先進(jìn)的數(shù)位控制器所實(shí)現(xiàn)的黑盒子診斷法記錄的概念,。這種新領(lǐng)域的晶片，透過(guò)失效訊息準(zhǔn)確性的改善和失效診斷周轉(zhuǎn)時(shí)間的縮短,，提供了客戶退貨失效分析的革新契機(jī)(圖6),。

　　圖6　先進(jìn)數(shù)位控制器可使失效分析效能更上層樓。 圖片來(lái)源：亞德諾

　　黑盒子特性也可以被有效地部署應(yīng)用在制造過(guò)程中,，藉以在產(chǎn)品驗(yàn)證和早期的試產(chǎn)階段,，檢測(cè)出老化和環(huán)境測(cè)試下的失效。黑盒子將電源供應(yīng)器的除錯(cuò)帶入另一個(gè)階層,，并為復(fù)雜系統(tǒng)的失效排除提供了聚焦性的指引,。透過(guò)消除由黑盒子記錄器所發(fā)現(xiàn)的設(shè)計(jì)問(wèn)題，此技術(shù)可降低客戶端故障,，并提高可靠性指標(biāo),，如平均失效間隔時(shí)間(MTBF)。