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关于电源完整性的一课

2020-06-17 Rich Quinnell 阅读:
我们正试图在无线电通讯监控系统中添加一个远距数据输入和显示单元,该系统最近进行了修改,以利用新的8位微处理器技术。我们找到了看似完美的解决方案…但一切不像“想的那么简单”…

我们正试图在无线电通讯监控系统中添加一个远距数据输入和显示单元,该系统最近进行了修改,以利用新的8位微处理器技术(是的,这是很久以前的事了)。我们找到了看似完美的解决方案:一个新发布的4字符(four-character)、16段字母数字显示设备,其内建板载ASCII译码器和字符储存ASIC。设备可以很容易地级联以获得所需的字符长度,有了这种通用且易于组装的程序代码(如我之前说过的),该显示设备接口所需的所有远距单元都是可电源供电和具有读/写功能的8位平行数据读/写控制。tAmednc

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Litronix DL1416 4位字母数字显示器于1977年推出。(图片来源:The Vintage Technology Association)tAmednc

除了一个明显的例外,该显示单元出色地实现了所有运作目标。不过,显示设备有时会突然烧坏,从而使覆盖在板载ASIC上的环氧树脂块起泡并散发出“魔法烟雾(Magic smoke,又称魔法气体、青烟,是电路或电子组件被烧毁时冒出的气体的幽默说法)”。且显示设备损坏的时间点似乎没有一定频率或原因,似乎与我们系统当时所做的任何事情都不相关。因此,我们咨询了制造商,以查看其第一代产品中是否存在可靠性问题。tAmednc

事实证明,问题主要出在我们身上,因为我们无意中触发了供货商ASIC设计中的漏洞。产品数据表中的警告提示中提到:“强烈建议显示器和与显示器连接的零件接口接口由同一电源供电,以避免逻辑输入高于VCC。”制造商向我们承认,此警告的原因是CMOS ASIC的输入保护二极管在实现上存在缺陷。如果输入讯号超过电源电压超过半伏特,则可能触发保护二极管中的SCR闩锁状态,从而使ASIC中的VCC接地。tAmednc

驱动我们的远距单元的主机系统只有一个电源为远距单元和主机单元中的接口芯片供电。从表面上看,这似乎符合准则——所有相关设备的共同供电,我们没有意识到的是我们的布线没有在远距单元保持这种关系。tAmednc

不过,讯号线并没有太大的噪声问题。讯号在线的噪声干扰本身没有足够的能量来触发闩锁, 问题出在远距单元的电源完整性上。tAmednc

远距单元的电源需求导致通过电缆的电源电压出现可测量的IR下降,尽管不足以给该单元的CMOS电路带来不便。另一方面,讯号线几乎没有看到IR下降。 因此,如显示器所见,讯号始终处于略高于电源的电压。偶尔,远距单元的电流需求激增(以及电缆IR压降的相应增加)与讯号在线的噪声尖峰同时发生,足以触发闩锁。tAmednc

透过重新设计远距元以在显示器上缓冲输入讯号线,能够确保显示器看到的讯号和电源电压相同。解决问题和得到的教训:密切关注电源,而不仅仅是讯号。tAmednc

上述事件最后的涟漪。几年后,我换了工作,在新公司的第一天就面临的挑战——新设计的显示面板装置自发燃烧的困扰。是的,相同的设备,相同的远距供电和讯令。tAmednc

我实时解决他们问题的方法不仅可以确保我在那里的声誉,这个经验也让我的经理可以对预算鹰派(budget hawks,意指经常对预算提出质疑的人)说:“这就是为什么我们聘请资深工程师的原因。”tAmednc

(原文发表于ASPENCORE旗下EDN美国版,参考链接:A lesson in power integrity,by Richard Quinnell,EDN Taiwan Anthea Chuang编译)tAmednc

本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
Rich Quinnell
ASPENCORE全球技术执行主编。Rich Quinnell专注电子技术行业已超过15年,主要报道半导体、嵌入式系统、通信和测试相关话题,为EDN,TMW和许多其他出版物撰稿。 在成为技术记者之前,他曾服务于Matrix Imaging、Cooper LaserSonics和约翰霍普金斯大学应用物理实验室(JHU / APL)等公司,担任嵌入式系统设计师和工程项目经理十多年。 他拥有电气工程和应用物理学位,并在通信、计算机设计和量子电子学方面进行了很多研究工作。
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