客户投诉器件功耗太大,“元凶”原来是它!

selina 在 周五, 11/24/2017 - 09:48 提交

selina的头像

为什么我的处理器功耗大于数据手册给出的值?

在之前的文章中,我们谈到了一个功耗过小的器件——是的,的确有这种情况——带来麻烦的事情。但这种情况很罕见。我处理的更常见情况是客户抱怨器件功耗大于数据手册所宣称的值。

记得有一次,客户拿着处理器板走进我的办公室,说它的功耗太大,耗尽了电池电量。由于我们曾骄傲地宣称该处理器属于超低功耗器件,因此举证责任在我们这边。

我准备按照惯例,一个一个地切断电路板上不同器件的电源,直至找到真正肇事者,这时我想起不久之前的一个类似案例,那个案例的“元凶”是一个独自挂在供电轨和地之间的LED,没有限流电阻与之为伍。LED最终失效是因为过流,还是纯粹因为它觉得无聊了,我不能完全肯定,不过这是题外话,我们暂且不谈。

从经验出发,我做的第一件事是检查电路上有无闪闪发光的LED。但遗憾的是,这次没有类似的、昭示问题的希望曙光。另外,我发现处理器是板上的唯一器件,没有其他器件可以让我归咎责任。客户接下来抛出的一条信息让我的心情更加低落:通过实验室测试,他发现功耗和电池寿命处于预期水平,但把系统部署到现场之后,电池电量快速耗尽。此类问题是最难解决的问题,因为这些问题非常难以再现“第一案发现场”。这就给数字世界的问题增加了模拟性的无法预测性和挑战,而数字世界通常只是可预测的、简单的1和0的世界。

在最简单意义上,处理器功耗主要有两方面:内核和I/O。当涉及到抑制内核功耗时,我会检查诸如以下的事情:PLL配置/时钟速度、内核供电轨、内核的运算量。有多种办法可以使内核功耗降低,例如:降低内核时钟速度,或执行某些指令迫使内核停止运行或进入睡眠/休眠状态。如果怀疑I/O吞噬了所有功耗,我会关注I/O电源、I/O开关频率及其驱动的负载。

我能探究的只有这两个方面。结果是,问题同内核方面没有任何关系,因此必然与I/O有关。这时,客户表示他使用该处理器纯粹是为了计算,I/O活动极少。事实上,器件上的大部分可用I/O接口都没有得到使用。

等等!有些I/O您没有使用?您的意思是这些I/O引脚未使用。您是如何连接它们的?

我没有把它们连接到任何地方!

原来如此!

这是一个令人狂喜的时刻,我终于找到了问题所在。虽然没有沿路尖叫,但我着实花了一会工夫才按捺住兴奋之情,然后坐下来向他解释。

典型CMOS数字输入类似下图:

典型CMOS输入电路(左)和CMOS电平逻辑(右)

图1. 典型CMOS输入电路(左)和CMOS电平逻辑(右)

当以推荐的高(1)或低(0)电平驱动该输入时,PMOS和NMOS FET一次导通一个,绝不会同时导通。输入驱动电压有一个不确定区,称为“阈值区域”,其中PMOS和NMOS可能同时部分导通,从而在供电轨和地之间产生一个泄漏路径。当输入浮空并遇到杂散噪声时,可能会发生这种情况。这既解释了客户电路板上功耗很高的事实,又解释了高功耗为什么是随机发生的。

PMOS和NMOS均部分导通,在电源和地之间产生一个泄漏路径

图2. PMOS和NMOS均部分导通,在电源和地之间产生一个泄漏路径

某些情况下,这可能引起闩锁之类的状况,即器件持续汲取过大电流,最终烧毁。可以说,这个问题较容易发现和解决,因为眼前的器件正在冒烟,证据确凿。我的客户报告的问题则更难对付,因为当您在实验室的凉爽环境下进行测试时,它没什么问题,但送到现场时,就会引起很大麻烦。

现在我们知道了问题的根源,显而易见的解决办法是将所有未使用输入驱动到有效逻辑电平(高或低)。然而,有一些细微事项需要注意。我们再看几个CMOS输入处理不当引起麻烦的情形。我们需要扩大范围,不仅考虑彻底断开/浮空的输入,而且要考虑似乎连接到适当逻辑电平的输入。

如果只是通过电阻将引脚连接到供电轨或地,应注意所用上拉或下拉电阻的大小。它与引脚的拉/灌电流一起,可能使引脚的实际电压偏移到非期望电平。换言之,您需要确保上拉或下拉电阻足够强。

用户喜欢...

如何在密集PCB布局中,最大限度降低多个isoPower器件的辐射

selina 在 周五, 10/20/2017 - 08:47 提交 集成隔离电源isoPower®的iCoupler®数字隔离器采用隔离式DC-DC转换器,能够在125 MHz至200 MHz的频率范围内切换相对较大的电流。在这些高频率下工作可能会增加对...


低功耗会烧毁器件?低电流损耗也可能带来麻烦

selina 在 周二, 10/17/2017 - 14:44 提交 问题: 我更换了一个更新更好的器件,具有更低的电流损耗。结果发生故障,新器件甚至烧毁。请问您如何解释这一现象? 答案: 线性稳压器是相当简单的器...


ADI这些器件让传感器充满“智能”,挑战物联网应用so easy

selina 在 周四, 05/04/2017 - 16:36 提交 谈不完的物联网在人类的日常生活中越来越重要,而随着人类的依赖我们将更多的数据交给云端处理,这样势必会对物联网应用造成“压”迫从而引起更多挑...


控制isoPower器件辐射的正确方法是这样的!

selina 在 周二, 12/20/2016 - 10:29 提交 对于含有isoPower器件的应用的辐射和噪声控制,PCB布局与结构是非常重要的。今天我们就说说相关辐射机制,并为您提供解决辐射问题的具体建议。 isoPower概...


控制isoPower器件辐射的正确方法是这样滴

selina 在 周二, 01/10/2017 - 13:46 提交 对于含有isoPower器件的应用的辐射和噪声控制,PCB布局与结构是非常重要的。今天我们就说说相关辐射机制,并为您提供解决辐射问题的具体建议。 isoPower概...


AD7792/AD7793 器件内交换激励电流源改善多路复用RTD测量电路的精度

电阻温度检测器 (RTD) 可在很多工业应用中监控温度。在一个分布式控制系统 (DCS) 或可编程逻辑控制器 (PLC)中, 一个数据 采集模块可用来监控很多安装在远处的RTD 温度。...


智能制造时代 赛灵思推出高性能可编程器件

赛灵思亚太区新兴业务拓展经理黄文杰表示,“因此赛灵思针对智能工业发布了几款基于Zynq-7000的运动控制和实时网络解决方案。All Programmable平台和解决方案可提供各种性能和系统集成级别,它与MCU、DSP和ASSP等传统方法相比,可实现更出色的工业自动化和工业成像应用,可充分满足当前和未来机器视觉、工业网络、电机控制以及其它诸如可编程逻辑控制器和安全监控解决方案等新兴应用的要求。”...


凌力尔特超强的模拟技术和对客户的需求的把握

远离最为繁荣的手机和消费电子却能够取得成功,其实根本原因还在于凌力尔特超强的模拟技术和对客户的需求的把握。...