電子產(chǎn)品偶發(fā)故障很尷尬，工程師該咋辦？

　　工作中，不少朋友，幾乎每位工程師，都遇到過(guò)電子產(chǎn)品在用戶(hù)現場(chǎng)偶爾發(fā)生故障，如死機、復位、數據傳輸錯誤等。維修工程師在現場(chǎng)跟蹤排查時(shí)，故障又不會(huì )再現，拿回實(shí)驗室，怎么試驗又都是好的。使人陷入一種無(wú)從下手的窘境。找到通用方法作為此類(lèi)問(wèn)題的解決思路，成了電子設計行業(yè)共同的問(wèn)題。

　　自然科學(xué)領(lǐng)域的題目不容易解開(kāi)的時(shí)候，束縛住了的思維難以突破，不妨跳出來(lái)，進(jìn)入到社會(huì )科學(xué)領(lǐng)域，通過(guò)哲學(xué)、通過(guò)思維方法論來(lái)找到突破口。朱清時(shí)說(shuō)過(guò)“我通過(guò)化學(xué)科學(xué)的方法好不容易解決了一個(gè)問(wèn)題，卻發(fā)現佛學(xué)早就在那個(gè)科學(xué)的頂峰等著(zhù)我了”(本句話(huà)文責由朱清時(shí)老師負責)。

　　那面對偶發(fā)故障的問(wèn)題，一個(gè)解決它的方法論或許就是類(lèi)聚原理。

　　在日常生活中，有一種說(shuō)法叫“物以類(lèi)聚，人以群分”，意指不是一類(lèi)人不進(jìn)一家門(mén)。如果一個(gè)人很上進(jìn)，跟他朋友圈里的親密朋友基本也差不多都是上進(jìn)類(lèi)型的。因此推斷一個(gè)陌生人是否上進(jìn)，看他周?chē)呐笥训臓顟B(tài)就可以了。如果他周?chē)挠H密朋友都很成功了，那他即使現在不成功，離成功也不遠了，起碼他的成功潛質(zhì)很大了。絕對的潛力股。如果是這樣一個(gè)相親對象，趕緊抓住他，絕對的低價(jià)原始股。

　　當然，根據他的歷史推斷他的將來(lái)，也是有跡可循的，古人不是說(shuō)“三歲看大，七歲看老”嘛，從他的現在看過(guò)去，從他的現在看未來(lái)，都是有一定道理的。雖然不敢肯定100%全對，但基本差不到哪里去的。關(guān)鍵是您也不是暫時(shí)沒(méi)有別的辦法了解他更多嘛。也只好死馬當活馬醫嘍，更何況這批馬沒(méi)死停當呢，還有得救。

　　同理，一個(gè)電子產(chǎn)品，它偶爾才發(fā)生故障，那您以為它不發(fā)生故障的時(shí)候，就會(huì )完全正常嗎?表面裝得再若無(wú)其事，測謊器根據其生理狀態(tài)的波動(dòng)，也是能發(fā)現蛛絲馬跡的異常的。測謊儀的測量指標是人的生理參數，那針對一臺曾經(jīng)發(fā)生過(guò)故障但現在正常的設備，測謊的指標則是——波形。一是這臺設備正常工作時(shí)的波形質(zhì)量，就會(huì )有信號隱患的特征;二是同類(lèi)設備也很可能會(huì )有信號波形或數據隱患能被測和分析出來(lái)。

　　有隱患的機器，即使從性能上看暫時(shí)都沒(méi)事，但其波形，也一定會(huì )有所偏差或波動(dòng)或異常，只不過(guò)波形變異暫未超出導致設備工作異常的參數范圍而已。我們去測隱患機器未發(fā)生故障時(shí)的工作波形，分析波形里隱藏的信息密碼，就可發(fā)現問(wèn)題的隱患和緣由。如下列舉部分波形異?，F象及其所對應的潛在隱患問(wèn)題。

　　在講波形異常及隱患分析之前，得先說(shuō)清楚一個(gè)專(zhuān)業(yè)名詞——電壓容限。這是信號異常與否的關(guān)鍵。

　　對于數字電路(如圖1)，輸出器件的信號分別為高電平(用VoH表示)和低電平(用VoL表示)，這兩個(gè)電平的電壓都是一個(gè)允許的電壓范圍，只要在VoH范圍內的輸出電平，都認為是合理可接受的高電平，只要是VoL范圍內的輸出電平，都認為是合理可接受的低電平。同理，接收端能接受的高、低電平也是一個(gè)范圍，分別為VIH和VIL，不同的是，VoH和VIH、VoL和VIL并不是相等的電平，而是有一個(gè)電位差Δ，這里的Δ就是電壓容限。

　　數字電路里，我們所研究的器件參數選型計算、EMC、SI等技術(shù)措施，都是為了讓從輸出端發(fā)送出的電平信號，經(jīng)歷一系列的傳輸線(xiàn)纜衰減、空間輻射干擾耦合疊加、傳輸線(xiàn)信號反射、外界環(huán)境導致器件參數漂移、電源地線(xiàn)波動(dòng)引起相對電平變化等等問(wèn)題后，接收端所接到的信號電平，相對于輸出端電平，都沒(méi)超過(guò)Δ的允許波動(dòng)范圍。滿(mǎn)足了這點(diǎn)，即便是有些外來(lái)干擾破壞，電路仍能照常工作。

　　圖1 數字電路電壓容限示意圖

　　對于模擬電路，也有一個(gè)電路精度要求，即電壓容限值±Δ%(圖2)，設計中所要控制的，就是在任何的波動(dòng)干擾下，模擬輸出量都不能超出±Δ%的范圍。

　　圖2 模擬電路電壓容限示意圖

　　基于以上的理論基礎，下面列舉的就是常見(jiàn)的幾種波動(dòng)和作用機理了。

　　1、電源或地線(xiàn)的電平波動(dòng)厲害

　　VCC波動(dòng)低了，大部分時(shí)候并沒(méi)超出Vcc的允差范圍Vccmin，但在現場(chǎng)條件組合應力嚴重的時(shí)候，一下子給弄超了就可能造成誤觸發(fā)，刷寄存器或觸發(fā)不期望的功能。這時(shí)通過(guò)測量Vcc波形，就可能發(fā)現(如圖3)的波形，即使沒(méi)低到足以觸發(fā)問(wèn)題的地步，但只要有類(lèi)似癥狀，就有隱患，就必須在電源的穩定上做文章了。必須確保電源的最大波動(dòng)范圍距離臨界值很遠才把握。

　　圖3

　　地線(xiàn)波動(dòng)同理，可以通過(guò)測量地線(xiàn)上任意兩點(diǎn)之間的波形，正常情況應該是一條基本接近于0V的平直線(xiàn)(如圖4中紅線(xiàn))，如果出現了向上的尖峰(圖4紅圈)，則可能帶來(lái)風(fēng)險，因為地線(xiàn)上升，帶來(lái)的就是片選信號、reset信號等敏感信號的電位差下降，Vreset-Vgnd小于了某個(gè)臨界值，芯片就會(huì )當成一個(gè)復位低電平輸入信號了。較常見(jiàn)的是給設備打+6000V靜電接觸放電時(shí)，地電平上被耦合或傳導進(jìn)去，極易引起復位就是類(lèi)似道理。

　　圖4

　　2、數據傳輸速率與傳輸線(xiàn)器件特性參數匹配不良導致波形變異

　　正常情況下，因為數據線(xiàn)過(guò)長(cháng)、線(xiàn)間電容、接收端輸入電容較大、導線(xiàn)上串入電阻較大、接收端輸入端口防護器件結電容等的影響，會(huì )導致形成(圖5)里的上圖黑色波形。在速率比較低的時(shí)候，數據傳輸的正確率是能保證的。但當軟件工程師不管不顧地加快數據傳輸速率時(shí)，會(huì )導致上升沿還未沖到接收端的電壓容限值下端VHmin時(shí)，就不得不因為周期問(wèn)題而走下坡路了，形成圖5上圖中的紅色波形部分，最高點(diǎn)低于了VHmin值，接收端自然就讀不到數據了。如果就是所有的都不正常了倒還好查找了，最擔心的是處于導致波形在正常與非正常之間的傳輸速率臨界點(diǎn)，就可能在現場(chǎng)偶發(fā)傳輸數據錯誤了?？赡艿默F象是把導線(xiàn)剪短點(diǎn)、或換個(gè)小點(diǎn)的電阻值、或者拆掉個(gè)電容、或減少個(gè)終端，數據就會(huì )好了。

　　圖5

　　3、波形出現回勾

　　回勾的波形如(圖6)，它的形成是因為導線(xiàn)有高頻特性，可理解為小電感和小電阻的串聯(lián)，而數字電路輸入端口，又可以理解成一個(gè)Pin-Gnd的對地電容，以及一個(gè)輸入跟隨器特性，走線(xiàn)的特性和器件的輸入等效特性合并在一起，就有了如圖6的電路特性圖。V4給出10MHz方波信號，右圖上5點(diǎn)就可以測得接收左圖回勾變異波形。

　　本實(shí)例雖然有回勾，好在回勾部分在上升沿時(shí)并未穿越VHmin限值，下降沿時(shí)也未觸發(fā)VLmax限值，因此不至于引起信號質(zhì)量問(wèn)題。但如果導線(xiàn)特性參數和器件輸入特征參數有變，導致回勾特性的上升沿上移了，或下降沿的回勾下降了，危險豈不大哉?

　　圖6

　　按說(shuō)寫(xiě)到這里，這個(gè)類(lèi)聚原理的道理應該能說(shuō)明白了。但是還有好幾個(gè)常見(jiàn)的類(lèi)似波形質(zhì)量隱患問(wèn)題，所以還是捺著(zhù)性子寫(xiě)下去吧…

　　4、波形出現臺階(圖7)

　　有時(shí)，我們會(huì )測量到(圖7)或(圖8中間圖)中間平臺形狀的波形，這種是由容性負載與布線(xiàn)聯(lián)合作用引起的。這種波形的危害在于，有的接收器件，接收到信號后，判別上升沿的方式是通過(guò)對上升沿作微分，然后根據微分后的尖峰閾值判讀是否為上升沿。如果中間出現了平臺，微分電路則會(huì )導致出現兩個(gè)有一點(diǎn)時(shí)間間隔的尖峰。如果兩個(gè)尖峰都很高，則會(huì )導致重復誤觸發(fā);如果都低，則會(huì )無(wú)觸發(fā);這兩種情況都導致錯誤。

　　(圖8上圖)為源端輸出波形，是標準的方波;(圖8下圖)為導致(圖8中圖)平臺波形的電路結構。該圖為仿真效果。

　　圖7

　　圖8

　　5、波形有過(guò)沖

　　波形里常有過(guò)沖現象，如(圖9)。如果振蕩幅度不夠大，不會(huì )經(jīng)過(guò)VHmin和VLmax的限值，則萬(wàn)事皆無(wú)。但如果振蕩的幅度超出了VHmin和VLmax的臨界值，則可能會(huì )產(chǎn)生誤觸發(fā)，因為很多芯片是以上升沿中過(guò)VHmin的電平躍變做為上升沿觸發(fā)信號，如果越界了，則有造成2次上升沿觸發(fā)的風(fēng)險。

　　導致這條曲線(xiàn)特征的是信號線(xiàn)或地線(xiàn)的走線(xiàn)感性特性與線(xiàn)間電容、器件輸入電容、PN結電容等相互作用的結果。地線(xiàn)上的類(lèi)似衰減性振蕩波動(dòng)術(shù)語(yǔ)叫“地彈”。

　　圖9

　　6、電壓跌落

　　電源線(xiàn)上有串電感或電容了，電源啟動(dòng)、負載啟停的瞬間，因為電感的反向電動(dòng)勢、容性負載大電流導致的電源瞬間塌陷，都會(huì )有電源瞬間跌落的風(fēng)險。如(圖10)。這個(gè)波形在負載突然啟動(dòng)或突然掉點(diǎn)馬上又上電的時(shí)候可能會(huì )發(fā)生。如果幅度大了，掉電的時(shí)間長(cháng)了，極可能就有復位、刷E2存儲器、誤觸發(fā)等風(fēng)險了。

　　圖10

　　以上描述了幾種常見(jiàn)的可能導致電路工作異常的變異波形，其故障作用機理理解了僅僅是改善的第一步，下一步還需要理解是什么設計問(wèn)題導致了這些波形的產(chǎn)生，是哪些特性參數影響到了變異波形的哪個(gè)參數?通過(guò)設計改善哪一點(diǎn)才能使這些變異不再發(fā)生或不至于導致問(wèn)題成為顯性故障?這些都是未來(lái)的文章里要討論的問(wèn)題。

　　簡(jiǎn)單總結：就是遇到偶發(fā)故障問(wèn)題產(chǎn)品了，即使手頭沒(méi)有該故障產(chǎn)品，或者有也激發(fā)不出問(wèn)題來(lái)的時(shí)候，您就找完全相同設計的產(chǎn)品，查找懷疑器件的信號波形，如果都是特標準的波形，那就先暫時(shí)放過(guò)，如果稍有異常，就把它記錄下來(lái)，隨后仔細分析這些異常如果再大一點(diǎn)的話(huà)，有沒(méi)有可能觸發(fā)現場(chǎng)的偶發(fā)故障，如果是，那就針對這個(gè)異常波形改進(jìn)設計，改進(jìn)好了，讓它遠離激發(fā)故障的電平臨界值了，偶發(fā)故障基本就很可能被根除了。這種原理就是類(lèi)聚原理。由“一個(gè)大壞蛋的同伙至少一定也是個(gè)小壞蛋”的道理推演而來(lái)。

　　也許會(huì )有人問(wèn)了，這么個(gè)有用的方法，這么有實(shí)際指導意義的原理，誰(shuí)發(fā)現的呢?告訴您吧，是我!那名字為什么起類(lèi)聚原理而不是群分原理或其它的名字呢?嘿嘿，瞎起的!希望對您有用就好。