嵌入式分享合集110

一、功耗，成为芯片设计的头号问题

很明显，热量将成为半导体未来的限制因素。已经有很大一部分芯片在任何时候都是黑暗的，因为如果所有东西同时运行，所产生的热量将超过芯片和封装消散该能量的能力。如果我们现在开始考虑堆叠模具，在这种情况下，提取热量的能力保持不变并且热发生器的数量增加，那么这似乎是一个相当暗淡的未来。

也许有人会发明更好的晶体管，或者电阻和电容更小的电线。但在这一点上，更明显的进步已经被探索出来，成本总是会限制一些解决方案。

在过去的 40 或 50 年中，优化一直与性能和面积有关。大约在 20 年前，功耗才开始成为一个考虑因素，当时人们意识到，在相同的基本架构下，性能的每一个百分比的提升都伴随着更大的功耗提升。Dennard 扩展自动停止在每个新节点上提供相同水平的节能也无济于事。

即使在今天，当我采访人们并询问电源是否是主要的优化考虑因素时，答案通常是，“我们必须首先满足性能指标，然后我们才能担心降低功耗。” 在接下来的 10 年里，我预计这种心态将转变为“功耗第一”的方法。真正的问题是，在定义的功率预算内，我可以在给定任务上获得多少性能？你不会通过首先查看性能来得到这个答案。

在过去的几十年中，已经创建了一些工具，这些工具可以通过对设计进行分析并找出潜在的节省来节省浪费的电力。大多数时候，这些节省可以自动应用，而不必担心搞砸任何事情。示例是具有松弛的路径或时钟门控的晶体管尺寸，当可以证明它不会产生逻辑影响时。其他策略的影响稍大一些，例如电源域切换，漏电流可以在不使用时分块消除。然而，这些确实增加了设计的复杂性，并且它们引入了一些潜在的灾难性问题，使一些设计陷入困境。

但所有这些技术都只是试图恢复浪费的电力。他们都没有正面解决这个问题。所需要的是影响系统架构的功率优化策略——包括在为它们优化的处理平台上运行的软件中使用和可能实现的算法，这些算法着眼于在系统中移动的每个数据字节的有用性，还有更多。

但是这个行业有如此多的动力和惯性，以至于改变是非常困难的。我们看到为一致性和连接性定义了越来越复杂和重量级的协议，所有这些协议都试图尽可能少地破坏当今存在的不良做法。

有令人鼓舞的迹象。特定领域的计算是由 John Hennessy 和 David Patterson 在 2017 年的 Turing 讲座，以及 RISC-V ISA 和围绕它的所有工作的快速行业采用所引发的一个领域。他们这样做的主要动机可能不是降低功率，但这至少是一个开始。

从 RTL 开始。当被问及以功率优化为主要考虑因素的未来可能性时，人们充满热情、兴奋和希望在未来以更好的方式做事。

20 年前，当电子系统级 (ESL) 一词被广泛用于定义 EDA 新时代的技术时，人们兴奋不已，也许是自行业成立以来我们在新 EDA 工具上看到的最大规模投资。

我也陷入了困境，但我们都错了。没有新的魔法抽象可以驱动新一代的设计师和工具。它确实产生了一些好东西，但与最初预期的完全不同。但我们现在能看到新时代的起源吗？主要关注电力和能源的新抽象、流程和工具？新一代设计将能够最大限度地提高每瓦性能，而不是通过优化，而是通过设计？

是否有足够多的人关心这个星球以将其作为优先事项？作为工程师，我们是否在某种程度上对我们创造的产品的能源消耗负责？我确实看到更多人关心这些事情，但我也看到许多完全浪费电源技术的进步，其中唯一的动机是利润。

二、电容总结

电容是电路设计中最为普通常用的器件，是无源元件之一，有源器件简单地说就是需能(电)源的器件叫有源器件, 无需能(电)源的器件就是无源器件。电容也常常在高速电路中扮演重要角色。

电容的作用和用途，一般都有好多种。如：在旁路、去藕、滤波、储能方面的作用；在完成振荡、同步以及时间常数的作用……

下面来详细分析一下：

1 隔直流

作用是阻止直流通过而让交流通过。

2 旁路（去耦）

为交流电路中某些并联的元件提供低阻抗通路。

旁路电容：旁路电容，又称为退耦电容，是为某个器件提供能量的储能器件，它利用了电容的频率阻抗特性（理想电容的频率特性随频率的升高，阻抗降低），就像一个水塘，它能使输出电压输出均匀，降低负载电压波动。旁路电容要尽量靠近负载器件的供电电源管脚和地管脚，这是阻抗要求，在画PCB时候特别要注意，只有靠近某个元器件时候才能抑制电压或其他输信号因过大而导致的地电位抬高和噪声，说白了就是把直流电源中的交流分量，通过电容耦合到电源地中，起到了净化直流电源的作用。如下图为旁路电容，画图时候要尽量靠近IC1。

去藕电容：去耦电容，是把输出信号的干扰作为滤除对象，去耦电容相当于电池，利用其充放电，使得放大后的信号不会因电流的突变而受干扰。它的容量根据信号的频率、抑制波纹程度而定，去藕电容就是起到一个“电池”的作用，满足驱动电路电流的变化，避免相互间的耦合干扰。

旁路电容实际也是去藕合的，只是旁路电容一般是指高频旁路，也就是给高频的开关噪声提高一条低阻抗泄防途径。高频旁路电容一般比较小，根据谐振频率一般取 0.1F、0.01F 等；而去耦合电容的容量一般较大，可能是 10F 或者更大，依据电路中分布参数、以及驱动电流的变化大小来确定。如下图为去耦电容。

它们的区别：旁路是把输入信号中的干扰作为滤除对象，而去耦是把输出信号的干扰作为滤除对象，防止干扰信号返回电源。

3 耦合

作为两个电路之间的连接，允许交流信号通过并传输到下一级电路。

用电容做耦合的元件，是为了将前级信号传递到后一级，并且隔断前一级的直流对后一级的影响，使电路调试简单，性能稳定。

如果不加电容交流信号放大不会改变，只是各级工作点需重新设计，由于前后级影响，调试工作点非常困难，在多级时几乎无法实现。

4 滤波

这个对电路而言很重要，CPU背后的电容基本都是这个作用。

即频率f越大，电容的阻抗Z越小。当低频时，电容C由于阻抗Z比较大，有用信号可以顺利通过；当高频时，电容C由于阻抗Z已经很小了，相当于把高频噪声短路到GND上去了。

滤波作用：理想电容，电容越大，阻抗越小，通过的频率也越高。电解电容一般都是超过 1uF ，其中的电感成份很大，因此频率高后反而阻抗会大。我们经常看见有时会看到有一个电容量较大电解电容并联了一个小电容，其实大的电容通低频，小电容通高频，这样才能充分滤除高低频。电容频率越高时候则衰减越大，电容像一个水塘，几滴水不足以引起它的很大变化，也就是说电压波动不是你很大时候电压可以缓冲，如下图。

5 温度补偿

针对其它元件对温度的适应性不够带来的影响，而进行补偿，改善电路的稳定性。

分析：由于定时电容的容量决定了行振荡器的振荡频率，所以要求定时电容的容量非常稳定，不随环境湿度变化而变化，这样才能使行振荡器的振荡频率稳定。因此采用正、负温度系数的电容释联，进行温度互补。

当工作温度升高时，Cl的容量在增大，而C2的容量在减小，两只电容并联后的总容量为两只电容容量之和，由于一个容量在增大而另一个在减小，所以总容量基本不变。

同理，在温度降低时，一个电容的容量在减小而另一个在增大，总的容量基本不变，稳定了振荡频率，实现温度补偿目的。

6 计时

电容器与电阻器配合使用，确定电路的时间常数。

输入信号由低向高跳变时，经过缓冲1后输入RC电路。电容充电的特性使B点的信号并不会跟随输入信号立即跳变，而是有一个逐渐变大的过程。当变大到一定程度时，缓冲2翻转，在输出端得到了一个延迟的由低向高的跳变。

时间常数：以常见的 RC 串联构成积分电路为例，当输入信号电压加在输入端时，电容上的电压逐渐上升。而其充电电流则随着电压的上升而减小，电阻R和电容C串联接入输入信号VI，由电容C输出信号V0，当RC (τ)数值与输入方波宽度tW之间满足：τ》》tW，这种电路称为积分电路

7 调谐

对与频率相关的电路进行系统调谐，比如手机、收音机、电视机。

上图，变容二极管的调谐电路。

因为lc调谐的振荡电路的谐振频率是lc的函数，我们发现振荡电路的最大与最小谐振频率之比随着电容比的平方根变化。此处电容比是指反偏电压最小时的电容与反偏电压最大时的电容之比。因而，电路的调谐特征曲线（偏压一谐振频率）基本上是一条抛物线。

8 整流

在预定的时间开或者关半闭导体开关元件

9 储能

储存电能，用于必须要的时候释放。

例如相机闪光灯，加热设备等等．（如今某些电容的储能水平己经接近锂电池的水准，一个电容储存的电能可以供一个手机使用一天。

储能作用：一般地，电解电容都会有储能的作用。对于专门的储能作用的电容，电容储能的机理为双电层电容以及法拉第电容，其主要形式为超级电容储能，其中超级电容器是利用双电层原理的电容器，当外加电压加到超级电容器的两个极板上时，与普通电容器一样，极板的正电极存储正电荷，负极板存储负电荷，在超级电容器的两极板上电荷产生的电场作用下，在电解液与电极间的界面上形成相反的电荷，以平衡电解液的内电场，这种正电荷与负电荷在两个不同相之间的接触面上，以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上，这个电荷分布层叫做双电层，因此电容量非常大。

三、单相电机，电容的选择

大家知道，一台电容式单相电机是需要配备电容的，若没有这个电容，电机启动，也不可能转一整圈，这个电容就被称作启动电容。

根据电容的作用不同，可分为三类，一类是只有一个电容的单相电机，另一类是只有一个电容，电容在启动时起作用，启动完毕后就被切除了，第三类是有两个电容，分别是启动电容与运行电容。

这三类单相电机各有特定，第一类应用很普遍，适用于轻载荷启动，家用设备用的电机基本都属于该类，空调压缩机一般除外。

第二类基本不用了，现在也很难再见到，载荷能力差，就更不用提过载能力了，负载大时，容易憋停，后再启动，也容易烧线圈。

第三类多用于重载启动，需要启动转矩要大，可以支撑较大功率，像家用空调压缩机，钻台等，多用于双电容电机。

为了获取较大的启动转矩，人们往往将启动电容往大了设，那么，是不是启动电容设的越大越好哪？那肯定也不行，启动转矩大了，启动电流也势必跟着增大，这对电机是极为不利的，也是我们不希望看到的。

那么，如何来选择这个启动电容的大小哪？先看一下单电容电机，电机功率P单位取W，可以根据C≈0.026P来粗略计算，此时，电容单位为μF。再说一下双电容电机，与单电容电机选取参数一致，C≈0.016P，粗略计算出的结果为运行电容值，启动电容可取运行电容的2.5～3倍。

以上说了，第二种基本不用了，也不再单独拿出来说。

所以，在选择电容时，还必须要特别注意，不能随便拿个电容给换了，选择小了，启动不起来，选择大了，启动电流又大很多。

电容对于单相电机而言，又是一个易损件，受温度的影响比较大，所以，过几年，电容坏了，是常有的事。

在更换启动或运转电容时，最好选用与原配置参数相同的电容，还有一点，若发现启动或运行电容中的一个坏了，最好成套换，别吝啬那两个钱，一个坏了，另一个也撑不了多长时间。

如果电容器损坏，又不知道或看不清标注参数，可按上面的公式进行粗略计算，选择电容值相近的电容进行更换，偏大偏小一点都没大关系。

本篇终，重点介绍一下电容式单相电机的电容选择，可能也是比较关心的话题，希望能带去帮助，不走冤枉路，不花冤枉钱。当然，不妥的地方，还请多多指教。

四、开关电源维修

如何进行开关电源的维修

我们在修理开关电源时，首先要用万用表检测各功率部件是否击穿短路，如电源整流桥堆，开关管，高频大功率整流管；抑制浪涌电流的大功率电阻是否烧断。再检测各输出电压电阻是否异常，如果测量到异常，则将异常元器件拆除进行更换。

完成以上步骤后，我们可以接通电源，接通电源后还不能正常工作，接着要检测功率因数模块PFC和脉宽调制组件PWM；对于具有PFC电路的电源则需测量滤波电容两端电压是否为380VDC左右，如果PFC的滤波电容上无380VDC左右电压时，说明PFC电路没有正常工作，我们可以先用万用表测试电源板上滤波电容上的电压数值，如果没有电压，那么比较大概率是电源输入级出现问题，我们可以测量电源保险管、启动电阻、输入电感、整流桥是否存在开路问题，如果滤波电容的电压和输入电压差不多，并没有明显的升压变化时，那说明PFC线路没有起作用，那么我们可以对VC，Vstart/control，CT和RT的波形以及V0波形进行测量，看这些波形是否均正常，如果正常，那么我们接下来就要对测量场效应功率开关管的G极进行测量，看是否有V0的波形，因为在设计时，我们一般都会将启动电阻靠近芯片，这就导致有些时候我们在波峰焊时，由于波峰高度没调整好或者是设计载具时没考虑好过锡扩散，从而导致虚焊，我们之前遇到过好多次V0信号没有送到场效应管G极；而后我们将V0端与板上焊点焊好，用万用表测量滤波电容有380VDC电压；如果Vstart/control 端为低电平时，PFC也不能工作，则要检测其端点与外围相连的有关电路。

如有380VDC左右电压，说明PFC模块工作正常，接着检测PWM组件的工作状态，测量其电源输入端VC ，参考电压输出端VR ，启动控制Vstart/Vcontrol端电压是否正常，利用示波器观测PWM模块CT端对地的波形是否为线性良好的锯齿波或三角形，芯片输出端V0的波形是否为有序的窄脉冲信号。

我们以UC38系列8脚PWM组件为例，经过大数据的维修及验证，大多数电源不能工作都是因为电源启动电阻R损坏，或UC38系列芯片性能下降。启动电流增大所致，启动电路如下图所示：

当R损坏导致芯片的供电端无VC，PWM组件也就无法工作，需更换与原来功率阻值相同的电阻。当PWM组件启动电流增加后，可减小R值到PWM组件能正常工作为止。比如我们之前维修过一台模块为UC3843的电源，检测未发现其他异常，但是我们在R原本的220K上并接一个220K的电阻后，PWM组件工作，输出电压均正常，后来发现由于外围电路故障，致使VR端5V电压为0V，PWM组件也不工作，如果我们测量VR电压不正常的情况下，可以先把与VR端相连的外电路断开，如果VR从0V变为5V，那么我们就明白是外围电路出现问题，这时我们可以将查看VR脚位的外围电路。whaosoft aiot http://143ai.com

总之，维修开关电源不是一蹴而就，大多数的电源维修高手都是通过日积月累的经验及不断学习总结而造就的，所以要想成为一个优秀的开关电源维修者，那么你就要做好长期的奋战准备。