【摘要】

某產品研發階段在做四角實驗的過程中，發現單板在低溫下出現反復重啟動的問題，經過反復的實驗和定位，發現是核電源DC-DC芯片使用的液態電解電容，在低溫下，內部液體固化。導致電容ESR降低，進而使DC-DC輸出的紋波變大，出現單板反復重啟動的問題。

一、問題的提出

該產品是一款有線通信設備，CPU為1.0V核電壓。在該單板做四角實驗過程中，溫循實驗發現單板有重啟問題，現象是：低溫實驗，會存在重啟現象了，多次試驗重啟故障必現。從這個現象看，單板應該是存在設計缺陷，對低溫特別敏感。

二、分析過程

根據單板復位的現象，按照時鐘、電源順序排查故障發生時CPU關鍵信號情況：

1、時鐘信號

該單板主時鐘為25MHz，通過外部晶體提供。將時鐘信號飛線引出，同時放在溫箱中。在低溫下，發現該單板復位的時候，時鐘信號并未出現異常。這里初步排除了不是晶體的問題。

2、電源

其次，考慮是單板上的電源有瞬間跌落的問題，從而導致單板復位。通過用示波器在溫箱內監測。主要監測了單板上的3.3V、1.8V、1.5V（DDR3電源）和 1.0V （CPU核電源）。在單板復位信號出現的時候，并沒有發現上述電源有過跌落。

進一步監測1.8V、1.5V和1.0V電源紋波的時候，發現在低溫下，1.0V電源紋波有明顯的變大。

而且，隨著溫度繼續降低，該紋波會繼續增大。當1.0V電源紋波增大到一定程度時候，單板出現復位。

通過使用復位信號做觸發，監測1.0V的紋波，發現1.0V紋波變大的時候，恰好是復位信號出現的時候，在時序上是可以對準的。

圖1 單板復位信號和1.0V紋波信號

圖2 單板復位信號和1.0V紋波信號放大

進一步測量1.0V紋波隨溫度變化情況：在環境溫度降到＜0度時候，1.0V紋波即開始變大；隨著溫度繼續降低，紋波越來越大，直到紋波達到到200MV左右，單板復位。

為驗證是1.0電源紋波的問題，從1.0V電源的輸出電感處，斷開了單板上的1.0V DC-DC電源，用外部輸入的1.0V電源灌入單板，替代原有的1.0V電源。實驗發現，用外部電源后，單板在低溫下，沒有出現復位問題。

對于用外部電源替代原有的1.0V電源，主要區別就是外部電源在溫箱外面，不受溫度變化影響，電源紋波一直穩定。所以，基本可以確定，主要就是1.0V電源紋波導致的單板復位。

針對1.0V電源紋波問題，主要考慮：1、電源環路參數問題，導致在低溫下環路不穩定，進而導致紋波增大。2、考慮是電源上用的外圍器件，在低溫下，器件參數變化，導致輸出紋波增大。

因為環路參數需要DCDC廠家支持配合驗證，這里優先自行排查可能性2。

針對這個問題，從芯片手冊和收集的資料上看，確實有相關的解釋：根據1.0V電源選擇的DC-DC芯片的手冊上看，輸出的電源紋波和輸出電容的ESR以及開關頻率、電感量L有關，具體如下：

圖3 DC-DC輸出紋波和輸出電容ESR的關系

這里Fs是固定的430K，L 電感選擇的是10uH ，輸入輸出的電壓不變，在低溫環境下測量DCDC開關頻率和電感量L變化，排除這兩參數影響。1.0V電源的電路如下：

圖4 1.0V電源電路

這里選擇的輸出電容C166 是液態鋁電解電容，在電容的手冊中，沒有提到電容的ESR隨溫度變化的關系，從查到的資料看，液態鋁電解電容的ESR會隨溫度變化而變化。

通常，為了便于分析電容的ESR，多用下圖的簡化方式來表示：

圖5 電容簡化圖

導致ESR變化兩個常見因素是：

1）不良的電氣連接；

2）電解溶液的干枯。

圖6 液態鋁電解電容ESR和溫度關系

從上面的圖中可以看到，電容的ESR隨著溫度的降低而增加。

所以，對于該單板在低溫下出現的1.0V電源紋波變大，導致的單板復位問題就可以解釋了：在低溫下，鋁電解電容的電解液凝固，導致電容的ESR增加。根據1.0V電源DC-DC芯片手冊上的輸出電壓紋波公式可以知道，ESR增加，必然導致輸出電源的紋波增加，理論計算基本與現象符合。

三、解決方法

為此，要解決這個問題，關鍵是在低溫下保持輸出電容的ESR值和常溫保持不變。由于該電容的ESR是由于電解液在低溫下凝固而導致的，所以，選擇了固態鋁電解電容來替換。替換后，單板在低溫下正常，不再復位。

四、總結

雖然最后的解決方法很簡單，但整個定位的過程和解決方法，在以后實驗中還是具有一定的借鑒作用。本文闡述的實踐方法適用于單板上主要芯片功耗大，負載變化較大的單板；對于單板工作環境溫度變化比較大的單板，在大電容選擇的時候，可以參考。