【案例2.36】芯片启动异常的故障分析

在某产品的调试中发现，板上核心处理芯片在每次启动后的表现不同，偶尔会出现无法启动的故障。

经过几百次反复上下电测试发现，在大多数情况下，芯片启动后能正常工作，但有约2%的概率会出现芯片无法启动的问题。

【讨论】

在故障发生时，由于芯片并没有完全挂死，工程师可以通过底层软件查询芯片内部寄存器，从而通过寄存器找到故障诊断的线索。这种方法是CPU、核心处理器等芯片故障调试的重要手段之一。但是，在该芯片故障的调试中发现，在芯片每次启动出故障时，片内寄存器的参数值是不同的。这就使得若以寄存器作为故障诊断的线索，可能会出现多个可能的调试方向。

一个重要的调试经验是，对于大多数故障，故障的表现方式可能有很多种，但故障的根源很可能是唯一的。

基于这项调试经验，若故障表现具备一致性，我们可以采用逆推的方式，也就是通过故障表现逆向推出故障根源。但是，若故障表现不具备一致性，则不宜采用逆推的分析方式 。

对于本案例，寄存器参数值只是故障的表现，而不是导致故障的根源。由于在每次上电出现故障的过程中，芯片寄存器的状态并不完全相同，因此继续执着于对寄存器的研究可能就不是个好策略了，此时应该回到上电工作的本身，通过波形测试，寻找其他线索。

该芯片有12种供电电源，经过多次对上电电源波形的捕捉，发现有一个给芯片内核供电的电源上电波形存在台阶，不论芯片是否能正常启动，该台阶都存在。同时捕捉该路 电源上电电压波形和电流波形，发现在电压出现台阶的瞬间，该路电源的负载电流会突然增大 。

可以推测电压出现台阶的原因是，在上电过程中，当电压爬升到某位置，负载芯片电流突然增大，导致电源环路无法迅速响应负载突变能量的需求，只能依靠电源输出端的电 容向负载提供能量，导致在这个瞬间电压无法继续上升，并伴随电容放电而略微向下，在波形上表现为台阶。在一段延时之后，电源环路使能量传递恢复，电源电压才能继续上升，但在这之前，电源能量无法完全满足芯片的需求，可能造成芯片内部紊乱，表现为无法正常启动，寄存器出现各式错误。

该问题的解决方案有：

①优化电源环路响应速度。

②在电源和负载芯片之间加入MOS管，等电源启动完成并稳定后再开启MOS管。在负载启动瞬间存在较大突变电流的应用中，如果同时进行电源上电和负载启动，有可能出现与本案例类似的问题。通过MOS管将二者之间的关联断开是解决这类问题的一种方法。

③利用对复位等信号的控制，修改芯片启动流程，使芯片的启动在板上所有电源上电完成后再进行。

本案例最终的解决方案是，通过调整控制信号发出的时序，将芯片启动时间向后延 迟，在板上所有电源上电结束或接近结束时再开始芯片的启动。在采用这种解决方案时， 需注意研究芯片上电初始化流程的具体要求。

【扩展1】

本质上，本案例的故障是由于电源启动和芯片启动同时进行导致的。当这两种启动同时发生时，电源输出能量不仅需满足输出端大电容的充电，还需满足负载的用电需求。许多核心处理芯片在启动瞬间会出现负载电流的迅速增大，该电流可能远大于芯片稳态工作时的最大电流值，这种情况下，同样处于启动过程中的电源很可能无法满足突变负载电流的需求，从而造成启动过程中电压的跌落。

【扩展2】

上电测试是电路测试中一项非常关键的项目。

本案例中的电路，在调试早期已经经过了初步的上电测试，包括电源上电波形的测量等，但工程师未发现电源轨道上存在台阶的问题。原因是，该台阶太小，若不将示波器时间轴拉开，是无法看清楚的。

这是电源上电波形测量中很常见的问题之一。由于芯片有上电顺序的要求，各电源上电轨道存在相对时延，有的工程师为了在示波器屏幕上同时观察几个电源轨道的上电波形，会将示波器时间轴设置到ms级甚至10ms级，在这种情况下是很难发现上电波形边沿上台阶、振荡等现象的。

通常而言，在电路中有许多看上去很困难的问题，在解决后往往发现问题本身并不复杂，只是前期的某项基本测试项目没有正确地进行，或没有对波形进行正确的分析，导致问题被掩盖了。在多年的工作中，笔者深刻地体会到，测试这项工作，或者就不做，而如果要做，务必采用正确的测试方法、获得正确的波形，并对波形等测试数据做认真的分析。错误的测试得到错误的结果，辛苦测得了大批数据而不做细致分析，不仅浪费时间，而且造成误判，是复杂问题调试中必须避免的。

【扩展3】

有的工程师提出可以利用缓启动电路解决本案例提到的问题，这个方案是不正确的。

缓启动电路的使用，用得好能解决电压冲击、电流冲击的问题；用得不好则很可能导致电路间歇性上电故障的问题。尤其是某些大功率核心处理芯片，在启动瞬间需要极大的电流，若在电源通路上加上缓启动电路，则在芯片启动过程中，芯片内核更加难以得到所需能量，从而可能进入错误的状态。

很多芯片对电源上电爬升速度有最小、最大值的要求，不能太快，也不能太慢，这是设计中值得注意的。

【扩展4】

上电时，在电压波形上出现台阶是常见的，显然并非任何上电台阶都会造成电路启动故障 。

以上案例来自电路设计领域知名专家-王老师《高速电路设计进阶》著作内容其一案例！