在一般的使用條件下, 硬件電路設(shè)計中的可靠性問題并不突出,往往不引人注意。但在某些特殊的條件下,如高溫、重負(fù)荷等復(fù)雜惡劣電磁兼容條件下,設(shè)備往往出現(xiàn)一些意想不到的問題, 硬件電路設(shè)計中的可靠性問題突出起來，這其中的大部分情況又跟設(shè)備的供電處理情況密切相關(guān)。下面介紹幾例在實際項目中遇到的真實的案例并加以分析處理。
1.高溫下設(shè)備工作不正常甚至程序被破壞。
某型設(shè)備，冬天工作完全正常，可到了夏天，有一定比例的設(shè)備工作不正常甚至程序被破壞。這直觀明顯地跟工作溫度有關(guān)，可具體是哪個部分在高溫下不能正常工作呢？經(jīng)過反復(fù)的高溫條件下測試，終于發(fā)現(xiàn)，當(dāng)設(shè)備內(nèi)部的溫度大于70℃時，F(xiàn)LASH存儲芯片的R/B管腳輸出了錯誤的信號導(dǎo)致的。
FLASH存儲芯片用R/B管腳的輸出高低電平來標(biāo)示頁操作、擦除和隨機讀等操作的完成，平時R/B管腳為高電平狀態(tài)，但當(dāng)FLASH存儲進(jìn)行編程、隨機讀或擦除操作時變?yōu)榈碗娖綘顟B(tài)，操作完成后又變?yōu)楦唠娖綘顟B(tài)。R/B引腳為漏極開路驅(qū)動，因此需要接上拉電阻才能把R/B拉回高電平狀態(tài)。
FLASH存儲芯片R/B引腳端電路圖如下圖1所示：
圖1 FLASH存儲芯片R/B引腳端電路圖
圖1中RP為上拉電阻，電容CL的值為常量：對于供電電壓為3.3V， CL取值50pF，50pF的容值很小，由于芯片的引腳及印制板上存在分布電容，分布電容值與此相當(dāng)，故芯片資料上介紹這個電容可以不接，事實上很多參考電路確實都沒有外接這個電容CL。但這只能在常溫工作條件下可以不接電容CL，當(dāng)工作溫度升到70℃時，由于此管腳上分布電容的改變，必須接上這個50pF的電容才能正常工作！
R/B引腳的狀態(tài)圖如下圖2所示：圖中tf為高電平到低電平的下降時間，tr為低電平到高電平的上升時間。
圖2 R/B引腳的狀態(tài)圖
由圖2中可看出，對于3.3V工作的芯片，R/B引腳的高電平判決門限為：Voh=2.4V，低電平判決門限為：Vol=0.4V。
上拉電阻的工作示意如下圖3所示：
圖3 上拉電阻的工作示意圖
上拉電阻RP阻值選擇的要求是要滿足引腳電平的判決門限，即能把R/B引腳的低電平拉到0.4V以下，也能把高電平拉到2.4V以上，以滿足判決要求。RP不宜過小，同時RP不宜過大。RP不宜過小，一般不低于1KΩ。一般IO 端口的驅(qū)動能力在2mA～4mA量級。如果RP阻值過小，VCC灌入端口的電流將較大，這樣會導(dǎo)致MOS管不完全導(dǎo)通，由飽和狀態(tài)變成放大狀態(tài)，這樣端口輸出的低電平值增大,有可能大于0.4V,故通常上拉電阻應(yīng)選取不低于1KΩ的電阻。同時RP不宜過大，一般不高于10KΩ。
由于端口輸出高電平是通過RP實現(xiàn)的，線上電平從低到高變化時，電源通過RP對線上負(fù)載電容CL充電，這需要一定的時間，即上升時間。端口信號的上升時間可近似用充電時間常數(shù)RP*CL乘積表示。Rp阻值的大小會影響到電平的上升沿時間tr，因為上拉電阻Rp與電容CL構(gòu)成RC電路，存在RC延遲。電平上升沿時間tr與Rp阻值的關(guān)系如下圖4所示：
圖 5 芯片工作時序
在上圖5中，若R/B引腳的上升沿時間tr大于tRR（Ready to RE Low），則會影響信號速率，導(dǎo)致器件不能正常工作。此例中，就是未接電容CL，導(dǎo)致當(dāng)工作溫度升到70℃時，R/B管腳輸出了錯誤的信號，影響到了信號的時序判決。
2.撥動電源選擇開關(guān)導(dǎo)致設(shè)備重啟
某型設(shè)備，可以使用兩種電源供電，一種是使用外部5V移動電源，另一種是外接-48V電源，通過設(shè)備內(nèi)部的直流電源模塊轉(zhuǎn)成5V再給設(shè)備供電，這兩種供電方式通過一個電源選擇開關(guān)進(jìn)行切換，見下圖6所示。在使用中，發(fā)現(xiàn)在撥動電源選擇開關(guān)時，偶爾會出現(xiàn)設(shè)備重啟的現(xiàn)象。經(jīng)過分析處理，在電源選擇開關(guān)觸點上并接電容解決了這一偶發(fā)故障，見下圖7所示。那么電源開關(guān)上并聯(lián)一個電容起什么作用呢？
圖6 設(shè)備面板上的電源選擇開關(guān)
圖7 電源選擇開關(guān)原理圖
大家知道電容的特性是其兩端電壓不能突變。開關(guān)上接的電容用來就是用來消除開關(guān)瞬間的火花，防止對其他電器的干擾。電源開關(guān)在在接通和斷開時會產(chǎn)生火花.由其是感性負(fù)載會產(chǎn)生自感電動勢的情況，電容器的作用是為自感電動勢提供通路，它不僅消除了電火花的，而且延長了開關(guān)的使用壽命。
一般并聯(lián)的電容容量是0.1uF~0.22uF，電容耐壓值根據(jù)電源支路電壓值而定。
3.負(fù)載加重時出現(xiàn)死機
某型設(shè)備通過485總線組成系統(tǒng)，在這個485總線系統(tǒng)中，外部的節(jié)點都由主機供電，當(dāng)在輕負(fù)載時（即外部485節(jié)點數(shù)較少），使用一切正常，可當(dāng)加重負(fù)載到一定程度時（即外部485節(jié)點數(shù)較多），往往出現(xiàn)主機死機故障。經(jīng)過分析處理，發(fā)現(xiàn)主機出現(xiàn)死機故障時，其內(nèi)部的工作電壓都低于設(shè)備上芯片能正常工作的最小電壓。這個設(shè)備使用交流電源模塊，將外接的交流220V電壓轉(zhuǎn)換為直流48V后再供給內(nèi)部各單元使用，后來加大這個交流電源模塊的外接濾波電容值到一定程度后，即使設(shè)備在重負(fù)載使用時，也不再出現(xiàn)死機故障了，見圖8所示。
圖8 交流電源模塊
原來在在系統(tǒng)電源中，電容相當(dāng)于水桶，它存儲了一部分的電能，當(dāng)電流要求高的時候，它會釋放電能，以補充電流的不足。所以如果這個電容的值比較小時，相當(dāng)于后備能源也小，也就是說當(dāng)某一時間的電流突然加大時，系統(tǒng)的電壓會被拉的很低，當(dāng)這個電壓低于設(shè)備上芯片正常工作的最小電壓時，設(shè)備斷電，斷電后由于系統(tǒng)的電流要求又小了，電壓抬升，設(shè)備重新工作……如此反復(fù)，設(shè)備不斷的復(fù)位。因此電源模塊必須加足夠大的濾波電容，否則輸出電壓、電流會不穩(wěn)定，輸出功率會下降很多，引起電源無法正常工作。同時模塊電源的輸出濾波電容器的容值也不能太大，輸出電容太大，又很可能會造成設(shè)備不能正常啟動。
在實際使用中，濾波電容器的大小要根據(jù)負(fù)載電流的大小來選擇。負(fù)載電流越大，電源濾波電容應(yīng)該用得越大。一般可根據(jù)下表1的原則選擇：
表1 電源濾波電容值的選擇
另外，當(dāng)電源電壓大于30V時，濾波電容值可適當(dāng)減小。
4.網(wǎng)口工作不正常
有一網(wǎng)口，使用DM9161作為以太網(wǎng)的物理接口收發(fā)器PHY。使用中，出現(xiàn)一定比例的不良情況，具體來說，就是對于正常的情況，當(dāng)網(wǎng)線插入網(wǎng)口后，即在調(diào)試界面出現(xiàn)“link up”，表示網(wǎng)口正常工作。對于不良的情況，則當(dāng)網(wǎng)線插入網(wǎng)口后，即在調(diào)試界面先出現(xiàn)“link up”，緊接著出現(xiàn)“link down”，表示連接失敗，網(wǎng)口不通，如此循環(huán)反復(fù)見下圖9所示。
圖9 網(wǎng)口工作不正常的顯示
在電路設(shè)計中，原先RJ45網(wǎng)絡(luò)變壓器的中心抽頭接VCCA，而VCCA又是接DM9161芯片的1、2、9腳的，1、2、9腳是DM9161網(wǎng)口內(nèi)部收發(fā)器的電源腳。在排除了其它原因后，最后發(fā)現(xiàn)把這3個電源腳接入外部的1.8V電源后，就可以解決上述問題。這個情況應(yīng)該是DM9161芯片的1、2、9腳的供電不足引起的，見下圖10所示。
圖10 DM9161外部電路原理圖（局部）
如今，在大規(guī)模集成芯片的廣泛應(yīng)用下，硬件設(shè)計有推薦的電路可參考，似乎不容易出錯了。如今硬件設(shè)計中的問題往往集中出現(xiàn)在硬件電路設(shè)計中有關(guān)可靠性的問題上，這往往與其中的電源設(shè)計和電磁兼容設(shè)計等方面有著密切的關(guān)系，因此，要特別重視這些方面的處理，以提高在惡劣條件下的設(shè)備使用的可靠性。
