客户退货资讯不明已成为电源供应商及电力系统制造商亟待解决的问题；而利用内建黑盒子记录功能的数位控制器来记录电源供应器运作过程，不仅能为试产做验证，更可使除错效能大增，有效改善退货的诊断方式，提高认证可靠度。

　　对于电源供应器及电力系统制造商来说，客户的退货是一个主要的头疼问题。这类退货通常只会提供很有限且不明确的失效机制资讯，以及环境条件和“犯罪现场”的模糊细节；而须要依这些粗糙的资讯来诊断并提出失效分析完整报告的时间压力却是持续的收缩，随着设计进展到不同的阶段，从原型到量产再到终端客户，除错及修正问题相关的成本很自然地增加，这还不包括客户关系上及信誉的损失。

　　此外，在客户退货中，有一个相当比例看起来是属于“未发现问题”的退货类别。此种退货通常不加以处理，从而永远不会被正确的诊断，导致发生在终端客户系统上的真正失效机制被掩盖掉的风险。举例来说，任何会造成过高温限制(Over Temperature Trip)的失效问题，会在客户设备中出现停机现象，但退回制造商时却又看似功能正常。

　　这个问题可以透过类似飞机飞行记录器概念的内建“黑盒子”来获得解决，可以在当机发生前补捉到关键的资讯。本文将介绍用在隔离式电源供应系统中的先进PMBus数位控制器--ADP1055，如何使用其内部的黑盒子来记录与储存关键的资讯，此资料可以提供给电源系统制造商及终端系统使用者，以改善现场客户退货的诊断，并提高认证过程的可靠性。

　　记录资料至黑盒子的选项

　　这款先进PMBus数位控制器的黑盒子特点功能，让它可以将造成系统当机原因的重要资料，记录到EEPROM中。黑盒子诊断工具可以被视为两个部份，首先第一旗标识别码(First Flag ID)功能会记录失效发生的第一个情况，诸如过电流/电压/温度等。

　　接着，当控制器碰到如此的失效时，遥测结果的快照会被撷取下来(图1)，此资讯会被存在嵌入式非挥发EEPROM，以便稍后取出做为除错用途；当有多个失效出现时，造成系统停机的第一旗标识别码及所有的遥测资讯，会被补捉到黑盒子中。

　　图1　从GUI中所看到的黑盒子旗标，显示第一个失效ID为VOUT_OV_FAST。

　　由于在数位控制式电源供应器中，有多个参数须被量测，因此该控制器为每一个量测项，如电压、电流、及温度，采用了专属的(而非多工的)时间平均Sigma-Delta ADC，且为确保能补捉到正确的资料，量测到的数量会在当机的瞬间被记录到黑盒子中。

　　这个黑盒子的功能在测试与评估时，对于失效系统的故障排除非常有帮助，如果系统因失效分析而被召回时，可以从此EEPROM读回此资讯，以协助失效原因的调查。

　　在记录资料到黑盒子时，可以有以下的几个选项：

　　?不记录，黑盒子功能关闭。

　　?只在最后的停机前瞬间记录遥测值。

　　?记录最后的停机及所有断续重试尝试(如果IC被设定为停机与重试)的遥测值。

　　?记录最后的停机、所有重试尝试，以及透过CTRL接脚或OPERATION指令(如PMBus所叙述)来正常关机动作时的遥测值。

　　EEPROM可存放黑盒子内容

　　EEPROM中有两页(A页与B页)是专门用来存放黑盒子的内容，相当于总共十六笔的记录(每一页包含了八笔各有64位元组的记录)，此两页形成了一个循环缓冲，以记录黑盒子资讯，而其资料在每第十六笔记录时会被覆写。

　　EEPROM是一种页清除(Page-erase)型式的记忆体，亦即各页必须在整个页都被清除之后，才能再被写入。由于EEPROM具有此页清除的特性，在写入任何一页的第八笔记录之后，下一页会自动被清除以容许后续的黑盒子记录。

　　每次一笔记录被写入黑盒子时，此晶片就会累进记录编号。每一次的黑盒子写入，都会记录PMBus及制造商的特有暂存器，内容如图1及图2。

　　图2　从GUI看到的黑盒子数值

　　黑盒子记录时间考量

　　单一笔黑盒子记录约需1.2ms来写入，但还有一额外的页清除时间必须被列入考虑，以确保失效记录能成功。在PMBus数位控制器中，每一页可被写入八笔记录，因此每当记录编号为8n-1(n>0)时，就会对另一页进行页清除动作，此清除动作须耗掉额外的32ms来完成(图3)。

　　图3　黑盒子的写入动作

　　也就是说，每一个“第(8n-1)笔写入”都需要一次页清除，而这会让整个记录时间累积到33.2ms。每一个停机及重试周期之间的最小延迟时间，最好能比最短黑盒子写入时间来得长，也就是1.2ms，且在最差的状况下可延长到33.2ms。

　　要让黑盒子成功记录的另一个考量点，是要确保IC的电源供应电压或VDD不失电。ADP1055需要一稳定的3.3V VDD，来维持其本身及黑盒子的正常作业。一般来说，在一隔离DC-DC转换器中，会由辅助或常开型供应器提供电力给控制器。在其他情况下，可以透过一VDD接脚上的停滞(Holdup)电容，将电压维持在UVLO临界值之上。

　　黑盒子读回功能简介

　　此IC有两个制造商特有的专属指令，可以用来读回储存在EEPROM中的黑盒子资料。READ_ BLACKBOX_CURR指令为一区读取(Block-Read)指令，它会依本文中黑盒子的内容段的定义方式，回传目前记录N(最后被储存的记录)及所有相关资料。

　　READ_BLACKBOX_PREV指令为一区读取指令，它会读取前一笔的记录N-1(倒数第二笔被储存的记录)资料。由于这些指令为区读取指令，因此第一个收到的位元组被称为BYTE_COUNT，是用来告知PMBus的主控者还有多少位元组要读。 观看黑盒子资料时，建议用ADP1055 GUI，因为它提供了易读且使用者可存取的格式，来显示整个黑盒子的内容(图2)。

　　资料毁损功能

　　ADP1055中的黑盒子功能采用了封包错误检查(Packet Error Checking, PEC)来确保资料的有效性，每一笔黑盒子记录的最后一个PEC位元组，都是该笔记录专属，且透过周期性冗余检查(Cyclic Redundancy Check, CRC)-8多项式所计算出来的。

　　在写入EEPROM时，PEC位元组会被附在资料上且是该笔记录的最后一个有效位元组。在读取EEPROM时，每一笔记录的头区(Header Block)会被用来计算出一预期PEC码，而此内部计算出来的PEC码会与接收到的PEC码进行比较。如果比较结果为不符，STATUS_CML暂存器中的PEC_ERR位元会被设定，而该记录会因资料的有效性受到危及而被弃置。

　　资料侦测及复原功能

　　黑盒子演算法须要有充足的时间来储存黑盒子资料，及/或进行页清除动作，以便将黑盒子准备好来进行记录。当VDD在最小写入时间结束前就崩溃的情况下，就有可能发生EEPROM中资料的毁损；此外，如果VDD在EEPROM清除动作进行时崩溃，黑盒子内的资料也可能毁损。

　　当此情形发生时候，黑盒子演算法会侦测到资料毁损，并试图采取矫正动作以便让黑盒子的记录继续下去。请留意黑盒子不会尝试去修正毁损的资料，而是忽略毁损的资料，并在另一笔记录中回复继续进行记录。以下的叙述将详细说明此情节。

　　在VDD电源启动时，EEPROM两页中所有记录的头区会被读取，并被判断是否有效。如果该笔记录能通过以下的测试，就会被视为有效：

　　?头区与PEC位元组不可全部是1，因为这是每一笔记录在页清除之后的初始资料。

　　?计算出来的PEC码(使用来自头区的资料)必须符合接收到的PEC位元组。

　　?记录的编号必须落在有效记录的范围内，也就是说，必须大于目前的记录编号且小于最大记录编号。

　　如果记录无法通过以上任一测试，该记录会被视为无效并被弃置。若记录通过所有测试，则指到最后一笔有效记录的指标器(Pointer)将被更新。

　　EEPROM的平均生命期与资料保留

　　先进PMBus数位控制器内部的EEPROM，是特别以电源供应器须能够长期在现场使用的条件，做为其设计考量的。该EEPROM在125℃的条件下，具有高达15年的资料保存寿命。此外，在电源供应器的生命期内，会有多次写入EEPROM，这也会是资料保存的限制因素。

　　为了改善EEPROM在过多次清除-写入周期之后的资料可靠度，先进PMBus数位控制器将最大失效记录的最大数量限制在158,000(当ADP1055的环境温度低于85℃时的建议值)，或16,000(当ADP1055的环境温度低于125℃时的建议值)。

　　在每次黑盒子记录到EEPROM之后，目前的记录编号就会被累进；当失效发生而目前的记录编号大于上述的最大记录编号时，由于EEPROM已达到其最大容许清除-写入周期数，任何新增的记录已不可靠，因此不会再允许额外的黑盒子记录，STATUS_CML暂存器中的MEM_ERR位元会被设定以显示此状况。

　　先进数位控制器可提供失效分析功能

　　图4叙述了具有黑盒子功能的先进数位DC-DC控制器ADP1055，如何被使用在一典型的应用中，它适用于诸如全桥式(Full Bridge)、相位偏移(Phase Shifted)、主动箝位顺向(Active Clamp Forward)等拓扑结构，并具有多种特点，如冗余OVP、平均与峰值过电流保护、使用mini FPGA的GPIO、及主动缓冲器(Snubber)(图5)。

　　图4　采用PMBus数位控制器的隔离DC-DC功率级架构图

　　图5　ADP1055评估板 图片来源：亚德诺

　　本文介绍了使用先进的数位控制器所实现的黑盒子诊断法记录的概念。这种新领域的晶片，透过失效讯息准确性的改善和失效诊断周转时间的缩短，提供了客户退货失效分析的革新契机(图6)。

　　图6　先进数位控制器可使失效分析效能更上层楼。 图片来源：亚德诺

　　黑盒子特性也可以被有效地部署应用在制造过程中，藉以在产品验证和早期的试产阶段，检测出老化和环境测试下的失效。黑盒子将电源供应器的除错带入另一个阶层，并为复杂系统的失效排除提供了聚焦性的指引。透过消除由黑盒子记录器所发现的设计问题，此技术可降低客户端故障，并提高可靠性指标，如平均失效间隔时间(MTBF)。