勞動節連假.... 一樣沒閒著。不過一想到有一個東西要講，還是撥點時間來畫山畫水一下～
事情是這樣的.... 我們最近在搞一個東西的演算法，為了節省實體類比電路的使用，而換成數位訊號處理的方式來解決。在演算法做好之後，驗證的結果一直不太穩定，面對上頭三不五時的關心，公司的阿宅工程師又開始叫了.... 「啊....不是什麼事情都能靠數位解決的啦～ 竹篙裝菜刀～ 不通啦～ 機X啦～ 去死啦～」
這時，從實驗室中遠遠傳來的靠北聲，讓我的耳朵癢癢的.... 此時我內心的那隻「叫獸」，彷彿受到召喚，又從我的椎間盤中一竄而起....
「此時，我肥胖的身子向左微傾，顯出努力的樣子。這時工程師看見我的背影，他的淚很快地流下來了。他趕緊拭乾了淚，怕我看見，也怕別人看見。他再向外看時，我已抱了朱紅的橘子走過來了。」....
喂～～～ 不是朱自清的背影啦！這是在演哪一齣....
我：「你是又在叫什麼啦～」
阿宅：「蔥山小啦~~~ 賣來亂啦！」
我：「認真在問你的啊！我今天不是來鬧的吼～有問題大家一起想阿....」
阿宅：「X！就那個ADC取樣進來的訊號，經過演算法算完，不知道怎樣，有時候正常，有時候好像又會亂跳.... 這演算法可能還是有點問題。解不出來啦....」
此時，我看到實驗桌上那一坨電路，大概有上萬條線在那邊糾纏.... 李組長眉頭一皺，又發現事情並不單純....
我接著問：「等一下啦.... 你一坨電路，解釋一下你在兜甚麼。」
阿宅：「這邊主要有三個電路，第一個是一個切換式電源，為其他兩個電路供電。第二個是一個 radio 模組，自身帶有 ADC。這個ADC，會去取樣第三個電路提供的類比輸出。」
**********************************
為各個板子命名一下好了，比較好說明
我說：「這樣啊！懂了！我現在看你的電路，很粗淺地覺得，有兩個問題。我們分別來試試看。」
「第一個問題，這個切換式電源，在 power rail 上我看不到濾波(穩壓)電容，會不會波紋太大導致板C的類比輸出因而受到影響。這樣吧！我們先拿個100 uF的電容焊上去試試看。」
註：板C的電路內部沒有穩壓器之類的東西，輸出很明顯會受電源波動影響而產生類似振幅擾動的結果。例如偏壓點會受電源波動而微幅擺動.... 實際上是什麼電路，因公司機密的緣故，恕小弟不太方便在網路上說明。總之，它就是會受電源波動影響就對了....
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經過了一番折騰.... 我們在那個尺寸小到不能在小的地方，硬是掛上了一顆穩壓電容。
阿宅：「ㄟ！X！好像有點準起來了～ 但還是會稍微飄動，不過沒有之前飄的那麼嚴重了」
我：「科科.... 好！來，我們再來試第二個東西。」
「板B上有ADC，它要去取板C的輸出。ADC要取訊號取的準，這兩張板子之間當然是要共地的對吧！」
阿宅：「這還用你說....我知道啊！」
我：「是阿！我有看到你有拉共地線，可是，你這條共地線也太長了吧(目測約20公分)！然後很不幸，你板C的電源，是由板B提供，迴流電流會從這條長長的共地線流回板B。又很不幸，power rail 很愛抖，所以我敢說....... 板C的地一定在 bouncing (長線相當於電感效應，時變電流將於其上產生時變電壓)。 」
我：「Bouncing 的幅度我不敢說，但至少我可以說，板B跟板C，兩個的地根本不一樣！更何況，ADC取樣時，它的參考地是自己的地，當它要去取樣別人，當然也是希望別人是跟ADC擁有一樣的地！可是，偏偏現在兩個人的地就不一樣，代表 ADC 取進來的那個訊號已經參雜了 bouncing....」
我問：「你可以說一下，在什麼情況下，板B跟板C的地，會一樣？」
阿宅：「恩.... 線是理想導線的時候，沒有電感效應！」
我：「很好！但偏偏線就不是理想的啊！還有沒有其他想法？」
阿宅：「電源不要抖！」
我：「好，對我們的情況，我們是可以想辦法讓它不抖。可是剛剛加了穩壓電容，還是多多少少會抖～ 況且，在其他電路中，搞不好是數位的切換電流在跑(這是必要的電流)，也不是電源在抖.... 所以.... 還有沒有其他想法？」
阿宅：「mmm.....」
我：「想一下啊！降低電感效應.... 甚麼時候沒有電感效應???」
阿宅：「Ｘ！靠北啊.... 就共地，但不要接地線啊！」
我：「我知道你的意思，就是「共地線無限短」，對吧！」
阿宅：「你到底想說什麼啊？馬的最好是有無限短的線啦....」
我：「哈哈～ 當然是沒有無限短的線，只是要跟你說，共地線的長度接短一點啦！這樣 bouncing 就會比較輕微啦～」
阿宅：「靠夭～ 直說就好了！在那繞什麼圈子～」 (阿宅立馬從桌上撈了一條2~3公分長的單芯線，給換上去)
重新測試中....
阿宅：「有哦～有哦～ 有 fu 哦~~~ 靠！整個穩定了耶！....mmmm.... 雖然好像還是會稍微飄一咪咪，但是Ｘ，真的改善超多的！」
我心想：「科科.... 幸好有給我矇中～～～不然就糗了！」
我說：「事情還沒完哦！之前我有聽說你演算法的事情，我覺得現在只是基本排除了一些問題而已！我上次無意間聽到你們在討論，我覺得你那演算法，應該還是有點問題！不然找個時間，我們再來討論一下你的算法吧～」
阿宅：「感謝你的雞婆.... 但不管怎樣，我總算稍微有點東西可以先報告交差了.... 不然明天又要被釘在牆上了」
我：「免客氣！今天晚餐你請..........」
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事情是這樣的.... 我們最近在搞一個東西的演算法，為了節省實體類比電路的使用，而換成數位訊號處理的方式來解決。在演算法做好之後，驗證的結果一直不太穩定，面對上頭三不五時的關心，公司的阿宅工程師又開始叫了.... 「啊....不是什麼事情都能靠數位解決的啦～ 竹篙裝菜刀～ 不通啦～ 機X啦～ 去死啦～」
這時，從實驗室中遠遠傳來的靠北聲，讓我的耳朵癢癢的.... 此時我內心的那隻「叫獸」，彷彿受到召喚，又從我的椎間盤中一竄而起....
「此時，我肥胖的身子向左微傾，顯出努力的樣子。這時工程師看見我的背影，他的淚很快地流下來了。他趕緊拭乾了淚，怕我看見，也怕別人看見。他再向外看時，我已抱了朱紅的橘子走過來了。」....
喂～～～ 不是朱自清的背影啦！這是在演哪一齣....
我：「你是又在叫什麼啦～」
阿宅：「蔥山小啦~~~ 賣來亂啦！」
我：「認真在問你的啊！我今天不是來鬧的吼～有問題大家一起想阿....」
阿宅：「X！就那個ADC取樣進來的訊號，經過演算法算完，不知道怎樣，有時候正常，有時候好像又會亂跳.... 這演算法可能還是有點問題。解不出來啦....」
此時，我看到實驗桌上那一坨電路，大概有上萬條線在那邊糾纏.... 李組長眉頭一皺，又發現事情並不單純....
我接著問：「等一下啦.... 你一坨電路，解釋一下你在兜甚麼。」
阿宅：「這邊主要有三個電路，第一個是一個切換式電源，為其他兩個電路供電。第二個是一個 radio 模組，自身帶有 ADC。這個ADC，會去取樣第三個電路提供的類比輸出。」
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為各個板子命名一下好了，比較好說明
- 電源：板A
- ADC：板B
- 待取樣輸出：板C
我說：「這樣啊！懂了！我現在看你的電路，很粗淺地覺得，有兩個問題。我們分別來試試看。」
「第一個問題，這個切換式電源，在 power rail 上我看不到濾波(穩壓)電容，會不會波紋太大導致板C的類比輸出因而受到影響。這樣吧！我們先拿個100 uF的電容焊上去試試看。」
註：板C的電路內部沒有穩壓器之類的東西，輸出很明顯會受電源波動影響而產生類似振幅擾動的結果。例如偏壓點會受電源波動而微幅擺動.... 實際上是什麼電路，因公司機密的緣故，恕小弟不太方便在網路上說明。總之，它就是會受電源波動影響就對了....
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經過了一番折騰.... 我們在那個尺寸小到不能在小的地方，硬是掛上了一顆穩壓電容。
阿宅：「ㄟ！X！好像有點準起來了～ 但還是會稍微飄動，不過沒有之前飄的那麼嚴重了」
我：「科科.... 好！來，我們再來試第二個東西。」
「板B上有ADC，它要去取板C的輸出。ADC要取訊號取的準，這兩張板子之間當然是要共地的對吧！」
阿宅：「這還用你說....我知道啊！」
我：「是阿！我有看到你有拉共地線，可是，你這條共地線也太長了吧(目測約20公分)！然後很不幸，你板C的電源，是由板B提供，迴流電流會從這條長長的共地線流回板B。又很不幸，power rail 很愛抖，所以我敢說....... 板C的地一定在 bouncing (長線相當於電感效應，時變電流將於其上產生時變電壓)。 」
我：「Bouncing 的幅度我不敢說，但至少我可以說，板B跟板C，兩個的地根本不一樣！更何況，ADC取樣時，它的參考地是自己的地，當它要去取樣別人，當然也是希望別人是跟ADC擁有一樣的地！可是，偏偏現在兩個人的地就不一樣，代表 ADC 取進來的那個訊號已經參雜了 bouncing....」
我問：「你可以說一下，在什麼情況下，板B跟板C的地，會一樣？」
阿宅：「恩.... 線是理想導線的時候，沒有電感效應！」
我：「很好！但偏偏線就不是理想的啊！還有沒有其他想法？」
阿宅：「電源不要抖！」
我：「好，對我們的情況，我們是可以想辦法讓它不抖。可是剛剛加了穩壓電容，還是多多少少會抖～ 況且，在其他電路中，搞不好是數位的切換電流在跑(這是必要的電流)，也不是電源在抖.... 所以.... 還有沒有其他想法？」
阿宅：「mmm.....」
我：「想一下啊！降低電感效應.... 甚麼時候沒有電感效應???」
阿宅：「Ｘ！靠北啊.... 就共地，但不要接地線啊！」
我：「我知道你的意思，就是「共地線無限短」，對吧！」
阿宅：「你到底想說什麼啊？馬的最好是有無限短的線啦....」
我：「哈哈～ 當然是沒有無限短的線，只是要跟你說，共地線的長度接短一點啦！這樣 bouncing 就會比較輕微啦～」
阿宅：「靠夭～ 直說就好了！在那繞什麼圈子～」 (阿宅立馬從桌上撈了一條2~3公分長的單芯線，給換上去)
重新測試中....
阿宅：「有哦～有哦～ 有 fu 哦~~~ 靠！整個穩定了耶！....mmmm.... 雖然好像還是會稍微飄一咪咪，但是Ｘ，真的改善超多的！」
我心想：「科科.... 幸好有給我矇中～～～不然就糗了！」
我說：「事情還沒完哦！之前我有聽說你演算法的事情，我覺得現在只是基本排除了一些問題而已！我上次無意間聽到你們在討論，我覺得你那演算法，應該還是有點問題！不然找個時間，我們再來討論一下你的算法吧～」
阿宅：「感謝你的雞婆.... 但不管怎樣，我總算稍微有點東西可以先報告交差了.... 不然明天又要被釘在牆上了」
我：「免客氣！今天晚餐你請..........」
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後記
我這篇文章本來想要順便連示波器一起說一下的，但實在唬爛太多了！一下子寫太多，觀眾一定會看的很累啊！是不是～ 那就下回分曉囉！
工程師在解 bug 時，一定要先把基本問題給排除，才能比較容易鑽到問題核心。我們在實戰中，雖然很常靠經驗，但是回過頭來想一想，事實上這些事情還是有它的理論基礎在的哦！
老師：
ReplyDelete我有個問題诶，本身是做Power Management/Energy harvesting IC的，對於切換式電源ripple太大那邊加電容上去有個疑問，一般switching converter輸出端會有LC filter，加大L或者C都可以降低ripple；但是從閉迴路控制系統的轉移函數來看，LC filter 那邊會形成一個 complex pole，因此如果加大電容來降低ripple的話會把complex pole 向內推，使得系統的穩定度變差、頻寬也跟著降下來，如果後面輕重載切換的時候不會造成後面訊號處理系統的問題嗎？
因為一般來說給ADC 那些analog signal processing system的Vdd會再加上一個LDO降ripple,switching noise，而比較少直接加大電容或者電桿來降ripple。還是說我理解錯誤或者是這邊視為在系統的容忍度內？謝謝老師！
切換式轉換器的穩定性如何考量，這點我並不懂，或許您可找一下相關文獻，但我相信負載效應確實是對系統響應是有影響的，只不過影響如何，我不敢輕易斷言。但就我的看法，切換式電壓源本來就有其重載限制(輸出額定電流)，這應該跟電壓源輸出的漣波幅度的spec是直接相關的。
Deletedc-dc切換式轉換器的結構可能有好幾種，但總的來說我的觀念都是，切換電晶體的輸出都會先串進電感，再並電容出來。電感當成電流源，電容則作為電壓源。電壓員能提供的電流，是來自於電流源的補充。若先並C再串L，這電晶體大概很難切換得起來，切換損耗一定會很高。所以電晶體輸出端的寄生並聯電容的影響就是那麼機八，要加大電晶體尺寸來催高電流的同時，寄生電容變大，效率就會因此下降。
依據這個理念，你加大L是在增加電流源的電流量，C就能很快地被填到某特定平穩電壓(當然這道電流會受電晶體的sink/source電流限制)。如果你將L縮小，補充電流縮小，C沒辦法很快被填滿，ripple就出來了。相反地說，若L不動，補充電流固定，那麼C越大，越不容易被填平，ripple嚴重；C較小，ripple就比較輕微。當你加上電阻性負載，重載會讓ripple越嚴重，因為補充電流一下子就被重載抽掉。所以不是一昧地加大誰，或縮小誰就能穩壓，畢竟converter輸出的LC是特殊的resonator，會影響converter的行為。
當你透過另一顆LDO，再掛過去的電容，我認為才是扮演穩壓電容的角色。
以上，一點淺見。
恩恩，感謝老師的指教。
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