【故障案例】CPU低温重启问题的定位和解决

【摘要】某产品研发阶段在做四角实验的过程中，发现单板在低温下出现反复重启动的问题，经过反复的实验和定位，发现是该电源DC-DC芯片使用的液态电解电容，在低温下，内部液体固化。导致电容ESR降低，进而使DC-DC输出的纹波变大，出现单板反复重启动的问题。

一、问题的提出

该产品是一款有线通信设备，CPU为1.0V核电压。在该单板做四角实验过程中，温循实验发现单板有重启问题，现象是：低温实验，会存在重启现象了，多次试验重启故障必现。从这个现象看，单板应该是存在设计缺陷，对低温特别敏感。

二、分析过程

根据单板复位的现象，按照时钟、电源顺序排查故障发生时CPU关键信号情况：

1、时钟信号

该单板主时钟为25MHz，通过外部晶体提供。将时钟信号飞线引出，同时放在温箱中。在低温下，发现该单板复位的时候，时钟信号并未出现异常。这里初步排除了不是晶体的问题。

2、电源

其次，考虑是单板上的电源有瞬间跌落的问题，从而导致单板复位。通过用示波器在温箱内监测。主要监测了单板上的3.3V、1.8V、1.5V（DDR3电源）和 1.0V （CPU核电源）。在单板复位信号出现的时候，并没有发现上述电源有过跌落。进一步监测1.8V、1.5V和1.0V电源纹波的时候，发现在低温下，1.0V电源纹波有明显的变大。而且，随着温度继续降低，该纹波会继续增大。当1.0V电源纹波增大到一定程度时候，单板出现复位。通过使用复位信号做触发，监测1.0V的纹波，发现1.0V纹波变大的时候，恰好是复位信号出现的时候，在时序上是可以对准的。

图1  单板复位信号和1.0V纹波信号

图2 单板复位信号和1.0V纹波信号放大

进一步测量1.0V纹波随温度变化情况：在环境温度降到＜0度时候，1.0V纹波即开始变大；随着温度继续降低，纹波越来越大，直到纹波达到到200MV左右，单板复位。为验证是1.0电源纹波的问题，从1.0V电源的输出电感处，断开了单板上的1.0V DC-DC电源，用外部输入的1.0V电源灌入单板，替代原有的1.0V电源。实验发现，用外部电源后，单板在低温下，没有出现复位问题。对于用外部电源替代原有的1.0V电源，主要区别就是外部电源在温箱外面，不受温度变化影响，电源纹波一直稳定。所以，基本可以确定，主要就是1.0V电源纹波导致的单板复位。针对1.0V电源纹波问题，主要考虑：1、电源环路参数问题，导致在低温下环路不稳定，进而导致纹波增大。2、考虑是电源上用的外围器件，在低温下，器件参数变化，导致输出纹波增大。因为环路参数需要DCDC厂家支持配合验证，这里优先自行排查可能性2。针对这个问题，从芯片手册和收集的资料上看，确实有相关的解释：根据1.0V电源选择的DC-DC芯片的手册上看，输出的电源纹波和输出电容的ESR以及开关频率、电感量L有关，具体如下：

图3 DC-DC输出纹波和输出电容ESR的关系

这里Fs是固定的430K，L 电感选择的是10uH ，输入输出的电压不变，在低温环境下测量DCDC开关频率和电感量L变化，排除这两参数影响。1.0V电源的电路如下：

图4  1.0V电源电路

这里选择的输出电容C166 是液态铝电解电容，在电容的手册中，没有提到电容的ESR随温度变化的关系，从查到的资料看，液态铝电解电容的ESR会随温度变化而变化。    通常，为了便于分析电容的ESR，多用下图的简化方式来表示：

图5  电容简化图

导致ESR变化两个常见因素是：

1）不良的电气连接；

2）电解溶液的干枯。

图6  液态铝电解电容ESR和温度关系

从上面的图中可以看到，电容的ESR随着温度的降低而增加。所以，对于该单板在低温下出现的1.0V电源纹波变大，导致的单板复位问题就可以解释了：在低温下，铝电解电容的电解液凝固，导致电容的ESR增加。根据1.0V电源DC-DC芯片手册上的输出电压纹波公式可以知道，ESR增加，必然导致输出电源的纹波增加，理论计算基本与现象符合。

三、解决方法

为此，要解决这个问题，关键是在低温下保持输出电容的ESR值和常温保持不变。由于该电容的ESR是由于电解液在低温下凝固而导致的，所以，选择了固态铝电解电容来替换。替换后，单板在低温下正常，不再复位。

四、总结

虽然最后的解决方法很简单，但整个定位的过程和解决方法，在以后实验中还是具有一定的借鉴作用。本文阐述的实践方法适用于单板上主要芯片功耗大，负载变化较大的单板；对于单板工作环境温度变化比较大的单板，在大电容选择的时候，可以参考。

　　审核编辑：汤梓红