电子裕量调节及在产品出厂前检测潜在系统故障的价值

本应用笔记概述了电子裕量调节及其在产品出厂前检测潜在系统故障的价值。它是一种校准方法，可有效预测并允许调整以提高产品质量。保证金还可用于将产品分类为性能级别，从而允许以高价出售优质产品。我们讨论了分类的缺点，并提出了隔离产品的替代方法。

介绍

“边际”一词有多种含义。一种常见的页边距类型，即页面上印刷文本周围的空间，可以在 5000 多年前的粘土板上看到。

然而，我们将专注于计算机和电子行业的利润。当第一个微处理器安装在主板上以制造计算机时，许多人，特别是游戏玩家和模组制作者（修改器），都希望更快的速度。于是，“速度边际”诞生了。

速度裕度，也称为“推送”或“超频”，正在更改计算机的系统硬件设置，使其以高于制造商额定值的速度运行。这可以在系统的各个点完成，通常通过调整 CPU、内存、视频卡或主板总线速度。

通常，制造商会对芯片进行微调和测试，以确定它们以何种速度失效。然后以比这低一级的速度对它们进行评级。IC制造商将尝试尽可能快地制造他们的产品，因为更快的硬件可以卖更多的钱。据统计，晶圆中的某些IC可能能够以比其他IC更高的速度运行。每个芯片都经过测试，看看它的运行速度有多快，运行得更快的芯片被标记为“更高的速度”。由于测试非常严格和保守（因为必须保证部件以最低速度运行），游戏玩家认为有可能将 CPU 推得比其额定值略快，同时保持系统的稳定性。

超频者还发现，一些IC厂商为了满足市场需求，故意低估芯片，制造高端和低端产品的差异化。有时，当制造商缺货时，他们会将较快的芯片封装为较慢的芯片以满足需求。超频总是有效吗？不。但是，超频者尝试是因为统计上有些成功了。

保证金的下一步

正如我们在应用笔记4345“接地良好，数字即模拟”部分所讨论的，数字信号比模拟信号更能容忍噪声和电源电平。这是因为数字设备固有的阈值。模拟设备会立即损坏，而数字设备通常可以正常工作，只要信号高于或低于临界阈值电平。在数字系统中，故障是突然的（悬崖效应），因为信号的劣化最初被（阈值）拒绝，直到它们变得严重到足以破坏数据。在那里，有必要测试性能裕度，以确保产品在其保修期内和极端条件下运行。

裕量是计算机行业中使用的一种长期成熟的技术，通过在比正常服务中遇到的压力更大的条件下对其进行测试来证明数字过程的可靠性。失效前可以施加的额外应力程度是性能裕度的衡量标准。

保证金技术可以应用并取得巨大成功，如果使用得当，将提供急需的信心因子。对电路进行裕量有两种典型方法：一种是使用病理数据模式。根据所使用的系统和编码，具有 1 或 0 的长字符串的数据模式缺少时钟数据，并且可能会强调阈值要求。第二种也是更通用的方法是改变电源电平（通常通过降低电压）。

校准裕量

在 系统 或 PCB 的 设计 阶段， 设计 人员 必须 定义 测试 协议。该过程将详细说明如何量化施加到被测器件（DUT）的应力，以及如何客观地将DUT分类为不同的性能级别或使产品失效（表1）。该协议应清除早期婴儿故障，并提供DUT在其预计寿命内运行的信心。典型的协议会逐步降低电源电压，可能会改变时钟速度等其他参数，并监控一些关键功能参数。例如，将设置限制，将 DUT 分类为高性能到低性能单元，并删除故障设备。

将 DUT 放入箱 A、B、C、D、E 或故障的示例过程

实施一个软件或固件程序，可以调整电源电压和改变时钟速度，同时交替将两种数据模式之一写入存储器。每次写入内存后，读取内存以监视错误。

在以下分档操作中，将执行校准以精确设置电源电压。还将完成其他校准程序，以补偿部件公差并确保满足所有其他规格。

 

站	箱放置的 UT 标准
一个	符合电源高 10% 和高时钟速度“A”% 的规格。
B	符合电源高 10% 和高时钟速度“B”% 的规格。
C	符合电源和时钟标称速度的规格。
D	符合电源高 10% 和时钟速度“D”% 低的规格。
E	符合电源高 10% 和时钟速度“A”% 低的规格。
F（失败）	不符合规格。

 

故障部件可以根据经济因素进行修复或丢弃。小心故障板的丢弃方式;它们必须被物理销毁，以防止不道德的人在灰色市场上出售它们并损害合法制造商的声誉。

使用裕量和校准的其他方法

其他系统规格可以通过裕量和校准的组合来满足。可以改进的参数包括功耗和电源噪声抑制（见图1）。

图1.电源去耦和监控系统。

工程似乎总是涉及某些优点和缺点之间的权衡。线性（低压差）稳压器很安静，但多余的功率会转化为热量。开关稳压器通电高效，但往往噪声大。图1使用校准来两全其美。电源稳压器的容差通常在 5% 至 10% 的范围内。现在，设想一个具有裕量的系统，该系统必须将功耗降至最低。两个稳压器的输出通过单独的低通滤波器或去耦，以最大限度地降低噪声。大多数电源稳压器都针对直流进行了优化，并且具有足够的频率响应来响应线路和负载的变化。它们用作反馈环路，将输出电压与基准进行比较。典型的频率响应限制在几十到几百千赫兹，以防止振荡。

MAX11600系列具有输入多路复用器，后接模数转换器（ADC），可监测多达12个独立点。为了最大限度地降低功耗，我们通过在开关稳压器上设置数字电位计（电位器）来测量点A，该点考虑了开关稳压器去耦端的压降。B点测量通过调整LDO上的数字电位器来补偿LDO去耦网络上的压降。通过将开关稳压器设置为略高于所需的LDO电压，我们可以以最小的功率损耗获得相对安静的功率。为了进一步降低噪声，可以用基准电压源代替LDO，或者在LDO输出端增加一个基准电压源，为关键电路（如低噪声放大器）供电。

图1所示的数字电位器也可以用数模转换器（DAC）代替。

裕量调节具有明显的优势，并允许在产品发货前检测和纠正潜在的故障。但是对于所有工程，都有危险。在工艺和组件公差范围内，给定批次可能无法获得最高等级的风险。因此，人们可能会被大量低级单位的库存所困。将产品分类为性能等级并相应地定价是有问题的，但作为一种测试工具，测试它要安全得多。问题是统计数据。

仔细的统计设计对于防止低产量陷阱是必要的。它们包括用于HP 50g的模拟设计计算器，包括在个人计算机上运行的免费模拟器。统计过程控制计算器有助于预测和分析过程产量。它计算每百万缺陷数、良率、过程偏移、标准偏差、平均值以及规格下限和规格上限。Micro-Cap 10是Spectrum Software的电路模拟器（有一个免费的评估版本）。该软件允许扫描电阻值并执行蒙特卡罗分析，以探索元件公差的影响。®

随着变量（组件）数量的增加，“保证”低收益保护可能变得不切实际。然后，可以采用另一种校准技术。假设产品有几个校准区域。我们将这些区域称为 A、B 和 C（可以容纳任意数量的区域）。最高性能（价格）的设备在所有领域都经过全面校准。中端产品在A区和C区进行校准。最便宜的产品只能在C区校准，调节器件（数字电位器或DAC）在A区和B区用固定电阻代替。这通过降低低精度产品的测试和组件成本，创造了真正的产品差异化。

结论

裕量调节可以有效地检测系统中的早期故障，并提供一种区分产品性能水平的方法。尽管市场中的追加保证金通知可能风险更大，但保护自己免受电子保证金的低收益陷阱也很重要。