探讨嵌入式硬件电源设计方面的注意事项

一阵电话铃声响起，快来办公室开会，硬件工程师，软件工程师，销售被老板叫到办公室开会。销售人员激动大喊：老板，发出去的产品出现很多不稳定，客户要求马上到现场解决，否则后果严重！工程师们瑟瑟发抖，天天担心出问题，谁知又有岔子，这个月奖金要泡汤了。不少工程师遇到这种场景，排查后发现多半是电源不稳定引起的。问题防不胜防，如何轻松搞定设计，避免产品现场安装出问题呢？ZLG技术研发中心总结10多年客户以及自己遇到的“难题”，精心准备了12篇嵌入式硬件电源设计方面的技术文章，和读者一起探讨嵌入式硬件电源设计方面的注意事项。今天以一例电源不稳定引发的产品问题作为开篇，以飨读者。

现场实例首先来看一个案例，某电梯公司的外呼板项目采用了ZLG的复位监控芯片NCP803，用来监控主控供电，刚开始的测试中系统一切正常，使用一段时间就会少量产品偶尔出现复位引脚一直输出低电平的现象，导致系统一直处于复位状态，并且只有重新断电上电后才能恢复正常，ZLG FAE亲自前往现场发现确实有此现象产生，用万用表测试供电电压正常。客户据此怀疑是电源监控芯片的质量问题，要求我们会同原厂给出测试报告。然而，客户所谓“有问题”的产品，经过ZLG工程师反复测试正常，“有问题的芯片”经过原厂测试分析后给出的报告，芯片完全正常。至此，事情出现僵局，问题却没解决。客户一再强调自身电源设计非常成熟，绝不会有问题。ZLG应客户要求再次做实验：根据客户描述的情况，复原现象来寻找下原因，即便用他寄过来的实物做频繁上下电测试，也没有出现那个问题。NCP803属于量产N多年的芯片，芯片本身出问题的概率是微乎其微，但为了测试的严谨性，我们还是实测了下芯片功能参数。首先，我们来分析一下这一系列复位芯片功能特点，好让大家对后续的案例分析有一定的了解。如表1所示。

表1 复位监控芯片功能

以上器件都属于同一系列的，只是复位输出不太一样，都不支持看门狗和手动复位，所以其功能特别简单，仅仅监控MCU供电的电平及稳定性来控制复位的输出。如图1所示是复位监控芯片的功能时序图

图1 NCP803上下电时序图

上电过程中当VCC电压大于阈值电压VTH+时会经过一段稳定时间tRP后使复位输出为高电平（并且在这段时间内VCC复位MCU运行。

掉电过程中当VCC电压大于阈值电压VTH-时，复位输出会立即下拉到低电平使MCU停止运行程序。根据对复位监控芯片的原理分析和客户实际的状况可以推出可能由以下情况出现问题：

供电VCC电压不稳定或电压值偏低

客户的MCU芯片复位管脚损坏强行将复位一脚拉低

NCP803异常损坏导致

在正常测试时就应该首先进行第一步测试来确定问题所在，此时需要用示波器来测量供电VCC和复位输出的电压波形来分析，看是否VCC电压不稳定造成的影响。但是由于现场并没有示波器，而是用万用表简单测量了下电压值且电压值无异常而误认为电压没有问题。

接下来我们就在客户的实物板子上测试了下复位芯片的上下电波形图，如图2所示是在客户板子上实测NCP803上下电时复位芯片的VCC（绿色线）和复位（黄色线）输出波形。

图2 NCP803上下电实测

通过分析板子实测波形图可以看出芯片功能完全正常，并且各参数都在手册标定的范围内，所以可以确定芯片绝对是没问题的。接下来我们怀疑客户电源设计有问题：强烈建议ZLG FAE到客户现场用示波器测试问题产品的电源和复位的波形。当FAE再次来到客户现场，使用示波器测量时有了重大发现，如图3下就是在客户现场测试的复位波形图，探头2所示是复位波形，可以看到复位信号忽高忽低，明显发生异常。

图3 复位测试波形

由于复位引脚的输出和供电有关，所以怀疑是VCC供电端异常，接下来继续测试供电VCC的波形。如图4所示是供电VCC的波形，可以看出VCC的波形纹波特别大约有1V，由于芯片的阈值电压是3.08V，小于此值的时候芯片会复位输出，所以可以确定原因是VCC供电不稳导致的。这也就是为什么复位芯片的复位管脚会忽高忽低。

图4 供电波形测试

随后用了稳定的电源供电就没在发生此现象了，最终的原因是客户前端的12V转3.3V的DC-DC开关电源输出的电压纹波特别大导致的，建议客户修改电感值后，电压纹波干扰有了明显的改善，客户比较满意此次的测试结果，并且承认不是复位监控芯片出的问题。

总结：

对于此类复位监控芯片出现的异常，大部分都是使用者的供电电压出现问题而导致的，芯片本身损坏的概率微乎其微，碰到这类现象只需用示波器将各处的电压波形测试一下就能很容易发现问题，切不可单单用万用表简单测试下电压值，因为万用表的刷新速度慢，无法测试出实际电压波形值，只能测得平均值，不能说明情况。此案例也说明电源参数设计的重要性，特别对于DC/DC，优点是转换效率高，缺点是纹波大，需要选择合适的电感参数来抑制纹波。