關於電源完整性的一課

作者 : Richard Quinnell,EDN

我們正試圖在無線電通訊監控系統中添加一個遠距數據輸入和顯示單元,該系統最近進行了修改,以利用新的8位元微處理器技術。我們找到了看似完美的解決方案…但一切不像「憨人想的那麼簡單」…

我們正試圖在無線電通訊監控系統中添加一個遠距數據輸入和顯示單元,該系統最近進行了修改,以利用新的8位元微處理器技術(是的,這是很久以前的事了)。我們找到了看似完美的解決方案:一個新發佈的4字符(four-character)、16段字母數字顯示設備,其內建板載ASCII解碼器和字符儲存ASIC。設備可以很容易地級聯以獲得所需的字符長度,有了這種通用且易於組裝的程式碼(如我之前說過的),該顯示設備介面所需的所有遠距單元都是可電源供電和具有讀/寫功能的8位元平行數據讀/寫控制。

Litronix DL1416 4位字母數字顯示器於1977年推出。(圖片來源:The Vintage Technology Association)

除了一個明顯的例外,該顯示單元出色地實現了所有運作目標。不過,顯示設備有時會突然燒壞,從而使覆蓋在板載ASIC上的環氧樹脂塊起泡並散發出「魔法煙霧(Magic smoke,又稱魔法氣體、青煙,是電路或電子元件被燒毀時冒出的氣體的幽默說法)」。且顯示設備損壞的時間點似乎沒有一定頻率或原因,似乎與我們系統當時所做的任何事情都不相關。因此,我們諮詢了製造商,以查看其第一代產品中是否存在可靠性問題。

事實證明,問題主要出在我們身上,因為我們無意中觸發了供應商ASIC設計中的漏洞。產品數據表中的警告提示中提到:「強烈建議顯示器和與顯示器連接的零件介面接口由同一電源供電,以避免邏輯輸入高於VCC。」製造商向我們承認,此警告的原因是CMOS ASIC的輸入保護二極體在實現上存在缺陷。如果輸入訊號超過電源電壓超過半伏特,則可能觸發保護二極體中的SCR閂鎖狀態,從而使ASIC中的VCC接地。

驅動我們的遠距單元的主機系統只有一個電源為遠距單元和主機單元中的介面晶片供電。從表面上看,這似乎符合準則——所有相關設備的共同供電,我們沒有意識到的是我們的佈線沒有在遠距單元保持這種關係。

不過,訊號線並沒有太大的雜訊問題。訊號線上的雜訊干擾本身沒有足夠的能量來觸發閂鎖, 問題出在遠距單元的電源完整性上。

遠距單元的電源需求導致通過電纜的電源電壓出現可測量的IR下降,儘管不足以給該單元的CMOS電路帶來不便。另一方面,訊號線幾乎沒有看到IR下降。 因此,如顯示器所見,訊號始終處於略高於電源的電壓。偶爾,遠距單元的電流需求激增(以及電纜IR壓降的相應增加)與訊號線上的雜訊尖峰同時發生,足以觸發閂鎖。

透過重新設計遠距元以在顯示器上緩衝輸入訊號線,能夠確保顯示器看到的訊號和電源電壓相同。解決問題和得到的教訓:密切關注電源,而不僅僅是訊號。

上述事件最後的漣漪。幾年後,我換了工作,在新公司的第一天就面臨的挑戰——新設計的顯示面板裝置自發燃燒的困擾。是的,相同的設備,相同的遠距供電和訊令。

我即時解決他們問題的方法不僅可以確保我在那裡的聲譽,這個經驗也讓我的經理可以對預算鷹派(budget hawks,意指經常對預算提出質疑的人)說:「這就是為什麼我們聘請資深工程師的原因。」

(參考原文:A lesson in power integrity,by Richard Quinnell,EDN Taiwan Anthea Chuang編譯)

 

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