数字控制器IC使用黑匣子工具和在线诊断功能最大限度地减少现场回访

作者：Subodh Madiwale和Vuong Tran

黑匣子诊断使用先进的数字控制器，通过提高故障信息的准确性和减少故障诊断的周转时间，提供了彻底改变客户退货故障分析的机会。

本文包含哪些内容？

数字控制器IC，使用黑匣子工具和在线诊断功能最大限度地减少现场回波

黑匣子内容

数据检测和恢复

EEPROM 寿命和数据保留

电源公司可以通过使用黑匣子来借用飞机工业的概念，该黑匣子监控操作并存储该数据以供故障审查。这一概念将有助于对现场退货进行故障分析，这对公司及其客户来说可能是昂贵的时间和金钱，并且诊断和报告全面故障分析的额外时间压力可能会进一步使供应商与客户的关系紧张。拥有适当的故障诊断工具来快速调试和解决问题可能意味着产品成功与失败之间的差异。您可以为隔离电源系统配置ADP1055高级PMBus™数字控制器IC，以提供在线黑匣子。

通过在线诊断和在线黑匣子，可以缓解问题，从长远来看，这些问题会带来更强大的设计实践和系统知识。在线黑匣子具有一个数据记录器，记录关键事件或中断之前电源的所有相关和关键信息。除了电源，您还可以轻松地将此概念应用于其他系统。

黑匣子操作

ADP1055的黑匣子功能可以在EEPROM中记录有关导致系统关断的故障的重要数据。黑匣子诊断工具有两个基本功能：首先，第一个标志ID功能记录第一个故障实例，例如过流，电压和温度;其次，当控制器遇到此类故障时，将捕获遥测的快照（如图 1 所示）。此信息将保存到嵌入式非易失性EEPROM中，稍后可以检索该信息以进行调试。在存在多个故障的情况下，黑匣子会捕获导致系统关闭的第一个标志 ID 以及所有遥测信息。

图1.来自 GUI 的黑匣子标志显示 V外OV FAST 故障作为第一个故障 ID

由于数字控制电源中有多个参数被测量，因此ADP1055采用专用（非多路复用）Σ-Δ型ADC，这些ADC随时间推移对电压、电流和温度等每次测量进行平均，为确保捕获准确的数据，在关断时将测量数量记录到黑匣子中。

此黑匣子功能对于在测试和评估期间对故障系统进行故障排除非常有帮助。如果召回系统进行故障分析，则可以从EEPROM读取此信息，以帮助调查故障的根本原因。

有几个选项可用于记录到黑匣子，其中包括：

无录音，黑匣子禁用

仅在最终关闭之前记录遥测数据

记录最终关机和所有间歇性重试尝试的遥测数据（如果设备设置为关机并重试）

使用 CTRL 引脚或 OPERATION 命令记录最终关断、所有重试尝试和正常关断操作的遥测数据（如 PMBus 所述）

黑匣子内容

EEPROM的两页（A页和B页）专门用于存储黑匣子内容。这允许总共 16 条记录（每页由 8 条记录组成，每条记录 64 个字节）。这两个页面形成一个循环缓冲区，用于记录黑盒信息，其中数据每 16 个被覆盖千记录。

EEPROM是一种页面擦除存储器，这意味着必须先擦除整个页面，然后才能写入页面。由于EEPROM的页面擦除要求，在写入任何页面的第八条记录后，下一页会自动擦除，以允许连续的黑盒记录。

每次在黑匣子中写入记录时，设备都会递增记录编号。每个黑盒写入记录图 1 和图 2 中列出的 PMBus 和制造商特定寄存器。

图2.来自图形用户界面的黑盒读数。

单个黑盒记录大约需要 1.2 毫秒的编程时间。但是，必须考虑增加的页面擦除时间，以确保成功记录错误。在ADP1055器件中，每页可以写入8条记录，因此只要记录号是8n − 1（n>0）的倍数，就会在另一页上启动页面擦除操作。擦除操作需要额外的 32 毫秒才能完成。因此，每次（8n − 1）写入也需要页面擦除，这使得总记录时间达到33.2毫秒。建议每个关机和重试周期之间的最小延迟时间大于最小黑盒编程时间，即 1.2 毫秒，在最坏情况下可以延长到 33.2 毫秒。

图 3 显示了写入操作的计时。成功记录黑匣子的另一个考虑因素是电源电压或V的损失DD到集成电路。ADP1055需要一个恒定的VDD正常工作和黑匣子操作为 3.3 V。通常在隔离式DC-DC转换器中，辅助电源或始终接通电源为控制器供电。在其他情况下，V上的保持电容DD引脚可用于将电压保持在 UVLO 阈值以上。

图3.黑盒写入操作。

黑匣子回读

可以使用两个专用的制造商特定命令来回读存储在EEPROM中的黑盒数据的内容。READ_ BLACKBOX_CURR 命令是一个块读取命令，它返回当前记录 N（保存的最后记录）以及所有相关数据，如“黑盒内容”部分中所定义。READ_BLACKBOX_PREV 命令是一个块读取命令，它返回上一条记录 N − 1（靠近保存的最后一条记录）的数据。由于这些命令是块读取命令，因此接收的第一个字节称为BYTE_COUNT，并向 PMBus 主站指示还要读取多少字节。

建议使用ADP1055 GUI查看黑盒数据，因为它以易于阅读、用户可访问的格式显示整个黑匣子内容。

ADP1055中的黑匣子功能使用数据包错误检查（PEC）来确保数据有效性。每个黑盒记录末尾的 PEC 字节特定于每个记录，并使用循环冗余校验 （CRC） 8 多项式计算。在写入EEPROM时，PEC字节将附加到数据中，并且是该记录的最后一个有效字节。在从EEPROM读取时，每条记录的标头块用于计算预期的PEC代码，并将该内部计算的PEC代码与接收的PEC字节进行比较。如果比较失败，则设置STATUS_CML寄存器中的PEC_ERR位，并且由于数据的有效性已受到损害，该记录将被丢弃。

数据检测和恢复

黑匣子算法依赖于足够的时间来保存黑匣子数据和/或执行页面擦除操作来准备黑匣子进行记录。在 V 的情况下DD在最短编程时间过去之前折叠，则有可能损坏EEPROM中的数据。此外，如果 VDD在EEPROM擦除操作期间折叠，黑匣子内的数据也可能损坏。

在这种情况下，黑盒算法可以检测到发生了数据损坏，并尝试采取纠正措施以恢复正确的黑盒记录。请注意，黑匣子不会尝试更正损坏的数据，而是忽略损坏的记录并恢复记录在不同的记录。下面的说明详细介绍了此方案。

在 V 期间DD上电时，读取EEPROM两页中所有记录的标头块，并确定记录是否有效。如果记录通过以下测试，则该记录有效：

标头块和 PEC 字节不能全部为 1，因为这是页面擦除后每条记录的初始数据。

计算出的 PEC 代码（使用标头块中的数据）必须与收到的 PEC 字节匹配。

记录编号必须在有效记录范围内，但它必须大于当前记录编号且小于最大记录编号。

如果记录未通过上述任何测试，则该记录将被视为无效并被丢弃。如果记录通过所有测试，则会更新指向最后一个有效记录编号的指针。以下信息显示了两种情况，其中潜在的 VDD崩溃可能会导致数据损坏及其恢复过程。

场景 1

在 V 的场景中DD在记录完成之前折叠，PEC 字节（即写入的最后一个字节）很可能会损坏。在 V 上的扫描过程中DD通电后，此记录将无法通过测试 2 并将被丢弃。

在通电扫描过程中，如果A页上的记录未通过测试2，则B页将被擦除，下一个记录指针将是B页的第一条记录。例如

页面 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

页面 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.无效Rec_No_12（由于丢失 V 而损坏）DD;上电时测试 2 失败

）

13.空

14.空

15。空

在扫描过程结束时，

最后一条有效记录是第 B 页的Rec_No_11

丢弃页面 B 的无效Rec_No_12，并设置PEC_ERR

页面 A 将被擦除，下一个用于存储的记录是页面 A 的Rec_No_16

READ_BLACKBOX_CURR返回Rec_No_11

READ_BLACKBOX_PREV返回Rec_No_10

请注意，B 页的 Rec_No 12-15 丢失，但这是可以接受的，可以恢复黑盒记录过程的正常运行。

场景 2

在 V 的情况下DD折叠 在页面擦除完成之前，您有可能在正在擦除的整个页面上出现数据损坏。在 V 上的扫描过程中DD通电后，此页面的所有记录可能无法通过测试 2，也可能未通过测试 3，在这种情况下，记录将被丢弃。

页面 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（黑匣子录制成功;但是，

由于丢失 V 键，页面擦除已损坏DD）

页面 B 有：

8.由于V丢失而损坏DD在页面擦除期间，遵循

Rec_No_7 9。由于丢失 V 而损坏DD在页面擦除期间，遵循Rec_No_7

10。由于丢失 V 而损坏DD在Rec_No_7

11 之后的页面擦除期间。由于丢失 V 而损坏DD在页面擦除期间遵循Rec_No_7

12.由于丢失 V 而损坏DD在

Rec_No_7 13 之后的页面擦除期间。由于丢失 V 而损坏DD在页面擦除期间遵循Rec_No_7

14.由于丢失 V 而损坏DD在页面擦除期间遵循Rec_No_7

15.由于丢失 V 而损坏DD在页面擦除期间，遵循以下Rec_No_7

在扫描过程结束时，

最后一条有效记录是第 A 页的Rec_No_7

通过页面 B 的Rec_No_15无效Rec_No_8将被丢弃，并设置PEC_ERR

页面 B 将被擦除，下一个用于存储的记录是页面 B 的Rec_No_8

READ_BLACKBOX_CURR返回Rec_No_7

READ_BLACKBOX_PREV返回Rec_No_6

请注意，在这种情况下，不会丢失记录，因为未完成的页面 B 擦除操作在通电时重新启动。

EEPROM 寿命和数据保留

ADP1055的EEPROM经过专门设计，知道电源可在现场工作，使用寿命长。ADP1055的EEPROM在125°C下的数据保留期长达15年。 此外，在电源的使用寿命期间，可能会对EEPROM进行多次写入，这也是数据保留的一个限制因素。为了在过长的擦除程序周期后提高EEPROM的数据可靠性，ADP1055将故障记录的最大数量限制为158，000（当ADP1055的环境温度低于85°C时推荐）或16，000（当ADP1055的环境温度低于125°C时）。

在每次黑匣子记录到 EEPROM 之后，当前记录编号递增。如果发生故障并且当前记录数大于上述最大记录数，则不允许进行额外的黑盒记录，因为EEPROM已达到其允许的最大擦除程序周期，并且任何额外的记录都不可靠。STATUS_CML寄存器中的MEM_ERR位设置为指示此条件。

图4描述了ADP1055是一款具有黑匣子功能的高级数字DC-DC控制器，如何在典型应用中使用。它适用于全桥、相移和有源正激钳位等拓扑结构。它具有多种功能，例如冗余 OVP、平均和峰值过流保护、带微型 FPGA 的 GPIO 以及有源缓冲器。ADP1055还可用作多相控制器。配置黑匣子不需要额外的硬件。ADP1055基于FSM（有限状态机），具有专用逻辑，易于使用，因此用户无需学习任何新的编程语言，因此不涉及固件。

图4.采用ADP1055的隔离式DC-DC功率级的高级视图

黑匣子功能也可以在制造流程中有效部署，以检测产品验证和试生产早期阶段的老化和压力测试故障。黑匣子将电源调试提升到一个新的水平，并为复杂系统的故障排除提供了重点指南。通过消除黑匣子记录仪发现的设计问题，从而减少客户故障并改善可靠性指标，例如故障间隔时间 （MTBF）

审核编辑：郭婷