一板成功 高速电路研发与设计典型故障案例解析

从“一板成功”到硬件故障排查
“一板成功”！初次听到这个词是在刚刚入行时，这是一位前辈的标签。笔者和这位前辈没有技术层面的交流，仅有的接触是给他送过一张单板。印象深刻的是，他戴上防静电手套，先触摸了墙边的暖气片后，才小心地打开包装……以致多年以来，笔者但凡接触到“有良好静电保护意识”的硬件工程师，都会留下“训练有素”的印象。
第二次在脑海中留下印记的是一次面试，略显锋芒的面试官喜欢问一些刺激神经的问题，其中便有： “如何做到一板成功”？并补充道，“摆在你面前的事情很清楚，一板成功是考评优秀，两板是良好，三板勉强合格，再做就该走人了……”。
在此之前，笔者没有仔细思考过这个问题。现在再来回答这个问题时，已经有了一个框架的认识，再整理便成了今天序言的一部分。
1. “一板成功”之我见
“一板成功”这个词中的“一”字过于引人注目，从而成了优质产品的“标签”“奖章”。时过境迁，笔者对“一”字的理解不同于以往，如今更关注“成功”。
到底何为“成功”？硬件设计的成功应该是阶段性战术意图的达成，不同的硬件项目或硬件产品存在要求差异，阶段性的目标也不同。例如下述情形。
(1) 无参考案例的原型设计。
原型设计几乎没有供参考的相关设计案例，如新的核心芯片组，新的架构……这种原型设计的阶段性目标是实现需求定义的功能，此时“成功”可以定义为硬件平台能够支持固件和软件工程师开展工作、实现单板需求。
在计算机主板上，目标是CPU和主存组成的小系统能够良好运行，启动（Boot）代码能够顺利加载，操作系统（OS，Operation System）能够运行，这样整个项目的人员都可以开展工作。如果因为硬件设计或芯片自身的问题，个别I/O外设功能未能实现，还有很多方法可以弥补，但是如果系统启动失败，所有的验证工作将很难开展。
这里需要用合理的成本（时间、物料和生产流程等）来保证功能验证的开展这个基本面。基本面不保，何谈成功，至于“一板”与否，以成本合理为标准。

(2) 量产产品的测试验证阶段。
产品在生命周期内一般生产几万片甚至更大数量，硬件平台有可供参考的案例，或是开发板，或是类似项目。那么此时“一板”的目标除了满足功能需求以外，还需要具备小批量试制（产），并导入测试的硬件条件。电源与信号完整性、系统集成测试、稳定性与可靠性测试等工作可以在此平台上开展，反馈的问题可以在此平台进行解决或优化（解bug），为量产版本打下基础。对此类产品，单纯地追求“一（板）”是不现实的。
综上所述，“一板成功”不能脱离阶段性战术意图的目标。识别主次，辩证地看清“成功”是对“一板”的有力支撑，并做到有重点地进行设计。
而不论何种项目，故障排查几乎贯穿电子信息设备的全生命周期。“成功”与“故障排查”是紧密绑定的。
2. 本书要说的重点——硬件故障排查
目前庞大的故障案例分析和故障排查资料是以“复盘报告”“技术分享”“质量报告”“归零文档”等形式存在于各企业的防火墙之后，形成企业的“积累”和工程技术人员的“经验”。由于行业背景的差异、企业优势和特长的不同、工程项目的独立性等原因，没有形成解决问题的“通解、通法”及故障排查的方法论。事实上，防火墙后的文档质量也参差不齐。
除了上述文档中所涉及的专业知识，我们更关注硬件电子产品的故障如何被发现，怎样解决，为何发生，能否避免（如同学生时代，查看一道题目的答案可以学习知识，目标是学会解题思路，这是同样的道理），所以需要将这些硬件电路与系统领域的“报告”“案例”进行抽象，形成方法。本书开篇谈方法论——硬件故障排查的方法论，接着再谈故障排查之阵眼——现象复现，并认识故障表象与本质的差异，从而捕捉故障的根本原因，这需要客观的思维。进一步用案例去践行这些方法，即知行合一。
接下来的几章涉及时钟、电源、复位。一方面是呼应硬件故障排查方法论之“三板斧”； 另一方面其中的案例涉及时钟、电源、复位启动多个角度，体会方法至简，应用“不可胜穷”的要义。并在“不可胜穷”的案例中，解释案例的用处是什么。为什么如此鼓励亲临一线操作、实践？因为硬件工程师要理解实践中的“执行力”，硬件电子技术的故障排查是在实践中不断探索和趋近本源的科学。
除了在项目案例中践行方法，电子科学与技术是一套完备的知识体系，脱离知识而空谈方法，无异于镜中花、水中月，所以本书将进一步论述“MOS管和逻辑器件”“总线”“高速电路”等设备以及“测试、测量技术”。
后再次提升认识，思考设计中如何提升质量、控制风险，这与在故障排查过程中正视故障、解决问题是一种思想的两种表述方式。

《一板成功——高速电路研发与设计典型故障案例解析》是面向硬件电路与系统的工程技术类书籍，通过对电子工程设计中的实际故障案例分析，帮助读者形成硬件设计流程中电路调测和故障排查的方法体系。从研发设计人员的视角探求硬件电路与系统的测试测量、电路调试、故障分析以及解决方案，内容涵盖时钟、电源、逻辑器件、总线、高速信号、测量技术等常规的硬件电路模块。兼具理论性和工程实用性。 《一板成功——高速电路研发与设计典型故障案例解析》适合作为从事计算机、通信设备、高端仪器制造等行业的电路设计、开发专业工程师、研究人员的技术参考书，也可以作为电子科学技术、电子工程专业高年级本科生和研究生的参考用书。

从事电子硬件技术工作10余年，涉及计算机、通信、仪器仪表、工业、国防 等行业 ，并参与多项、省级系统平台建设。近年来，主要从事云平台、边缘计算、异构计算系统设计工作。

第1章硬件故障排查的方法论

1.1硬件故障排查的“三板斧”

1.1.1硬件故障排查的一看、二查和三板斧

1.1.2案例1——PCI系统兼容性问题及“三板斧”
的流程

1.1.3小结

1.2现象整理

1.2.1排故工作如何开展——制订试验计划

1.2.2报告的误区

1.2.3案例2——CPCI系统启动过程宕机，兼谈故障
报告的误区

1.2.4案例3——器件兼容替代引发内存数据错误，
兼谈一份优质测试报告

1.2.5小结

1.3表象与本质的距离

1.3.1案例2的解读

1.3.2案例4——系统外设接入与VGA接口显示
异常故障绑定

1.3.3案例5——计算机VGA接口显示异常故障

1.3.4小结

1.4知行合一

1.4.1故障排查中的思维方法与理论知识

1.4.2适应自身的方法

1.4.3非技术层面的困扰

1.4.4故障排查的执行力

第2章时钟电路的设计与应用

2.1案例6——锁相环（PLL）输出时钟频率偏差超出额定值

2.1.1项目背景及故障描述

2.1.2故障分析思路

2.1.3故障排查及原理分析

2.2案例7——时钟锁定速度优化导致系统误码率提升

2.2.1项目背景及故障描述

2.2.2故障分析思路

2.2.3故障排查及原理分析

2.2.4小结

2.3案例8——交流耦合电容误用致芯片输入时钟异常

2.3.1项目背景及故障描述

2.3.2故障分析思路

2.3.3故障排查及原理分析

2.4案例9——板卡适配的故障,谈共同时钟的时序约束

2.4.1项目背景及故障描述

2.4.2故障分析思路

2.4.3故障排查及原理分析

第3章电源电路设计与应用

3.1案例10——LDO输出滤波电容ESR配置不当致电源
输出振荡

3.1.1项目背景及故障描述

3.1.2故障排查及原理分析

3.1.3解决方案

3.2案例11——模块输入引脚的驱动电流与电源使能控制
信号

3.2.1项目背景及故障描述

3.2.2故障分析思路

3.2.3故障排查及原理分析

3.2.4小结

3.3案例12——控制逻辑I/O配置与不同电源域漏电

3.3.1项目背景及故障描述

3.3.2故障分析思路

3.3.3故障排查及原理分析

3.3.4小结

3.4案例13——DCDC激活逻辑延迟导致系统上电时序错误

3.4.1项目背景及故障描述

3.4.2故障分析思路

3.4.3故障排查及原理分析

第4章复位信号与电路模块的初始化配置

4.1案例14——反相器选型与应用不当导致系统频繁复位

4.1.1项目背景及故障描述

4.1.2故障分析思路

4.1.3故障排查及原理分析

4.1.4小结

4.2案例15——JTAG_RST配置不当导致芯片进入测试模式

4.2.1项目背景及故障描述

4.2.2故障分析思路

4.2.3故障排查及原理分析

4.3案例16——约束引脚配置错误导致系统无法启动加载

4.3.1项目背景及故障描述

4.3.2故障分析思路

4.3.3故障排查及原理分析

4.3.4小结

第5章MOS管与逻辑器件应用

5.1案例17——电容放电式引信发火药剂配制误差

5.1.1项目背景及故障描述

5.1.2故障分析思路

5.1.3故障排查及原理分析

5.1.4小结

5.2双向电平转换芯片误用导致控制逻辑错误

5.2.1NMOS管原型应用分析

5.2.2芯片解决方案GTL2003系列

5.2.3慎重处理上、下拉电阻

5.2.4 I2C解决方案

第6章总线与高速信号

6.1案例1回顾——PCI透明桥时钟延迟差异导致下游设备异常

6.1.1项目背景及故障描述

6.1.2故障分析思路

6.1.3故障排查及原理分析

6.2案例18——两级Buffer与PCIe总线时钟噪声

6.2.1项目背景及故障描述

6.2.2故障分析思路

6.2.3故障排查及原理分析

6.3案例19——BMC对服务器系统“一键收集日志”引发告警

6.3.1项目背景及故障描述

6.3.2故障分析思路

6.3.3故障排查及原理分析

6.4案例20——网络变压器供电连接错误导致网络故障

6.4.1项目背景及故障描述

6.4.2故障分析思路

6.4.3故障排查及原理分析

6.5案例21——高速总线交流耦合电容值过小致总线传输
误码率升高

6.5.1项目背景及故障描述

6.5.2故障分析思路

6.5.3故障排查及原理分析

6.5.4小结

6.6案例22——射频连接器的串扰导致链路信号误码

6.6.1项目背景及故障描述

6.6.2故障分析思路

6.6.3故障排查及原理分析

第7章测试计量与系统

7.1案例23——采样策略与存储器深度关联导致信号异常
滤波

7.1.1项目背景及故障描述

7.1.2故障分析思路

7.1.3故障排查及原理分析

7.1.4举一反三

7.2案例24——半实物仿真旋转变压器的输出角度抖动故障

7.2.1项目背景及故障描述

7.2.2故障分析思路

7.2.3故障排查及原理分析

第8章故障排查与硬件设计

8.1拙战论

8.2高质量的设计动作

后记从彷徨到呐喊

参考文献

《一板成功——高速电路研发与设计典型故障案例解析》是面向硬件电路与系统的工程技术类书籍，通过对电子工程设计中的实际故障案例分析，帮助读者形成硬件设计流程中电路调测和故障排查的方法体系。从研发设计人员的视角探求硬件电路与系统的测试测量、电路调试、故障分析以及解决方案，内容涵盖时钟、电源、逻辑器件、总线、高速信号、测量技术等常规的硬件电路模块。兼具理论性和工程实用性。 《一板成功——高速电路研发与设计典型故障案例解析》适合作为从事计算机、通信设备、高端仪器制造等行业的电路设计、开发专业工程师、研究人员的技术参考书，也可以作为电子科学技术、电子工程专业高年级本科生和研究生的参考用书。

从事电子硬件技术工作10余年，涉及计算机、通信、仪器仪表、工业、国防 等行业 ，并参与多项、省级系统平台建设。近年来，主要从事云平台、边缘计算、异构计算系统设计工作。