本應用筆記概述了電子裕量調節及其在產品出廠前檢測潛在系統故障的價值。它是一種校準方法，可有效預測并允許調整以提高產品質量。保證金還可用于將產品分類為性能級別，從而允許以高價出售優質產品。我們討論了分類的缺點，并提出了隔離產品的替代方法。

介紹

“邊際”一詞有多種含義。一種常見的頁邊距類型，即頁面上印刷文本周圍的空間，可以在 5000 多年前的粘土板上看到。這個詞最可怕的定義之一與以保證金購買股票有關（使用股票購買作為抵押品從經紀人那里借錢）。在1929年美國股市崩盤之前，人們可以借入高達股票價值的90%。如果股票價值下跌，“追加保證金”要求人們支付資金以保留股票所有權。不滿足追加保證金要求意味著股票將被出售，投資者可能會損失所有資金。今天，保證金購買僅限于更小的百分比。

然而，我們將專注于計算機和電子行業的利潤。當第一個微處理器安裝在主板上以制造計算機時，許多人，特別是游戲玩家和模組制作者（修改器），都希望更快的速度。于是，“速度邊際”誕生了。

速度裕度，也稱為“推送”或“超頻”，正在更改計算機的系統硬件設置，使其以高于制造商額定值的速度運行。這可以在系統的各個點完成，通常通過調整 CPU、內存、視頻卡或主板總線速度。

通常，制造商會對芯片進行微調和測試，以確定它們以何種速度失效。然后以比這低一級的速度對它們進行評級。IC制造商將嘗試盡可能快地制造他們的產品，因為更快的硬件可以賣更多的錢。據統計，晶圓中的某些IC可能能夠以比其他IC更高的速度運行。每個芯片都經過測試，看看它的運行速度有多快，運行得更快的芯片被標記為“更高的速度”。由于測試非常嚴格和保守（因為必須保證部件以最低速度運行），游戲玩家認為有可能將 CPU 推得比其額定值略快，同時保持系統的穩定性。

超頻者還發現，一些IC廠商為了滿足市場需求，故意低估芯片，制造高端和低端產品的差異化。有時，當制造商缺貨時，他們會將較快的芯片封裝為較慢的芯片以滿足需求。超頻總是有效嗎？不。但是，超頻者嘗試是因為統計上有些成功了。

保證金的下一步

正如我們在應用筆記4345“接地良好，數字即模擬”部分所討論的，數字信號比模擬信號更能容忍噪聲和電源電平。這是因為數字設備固有的閾值。模擬設備會立即損壞，而數字設備通常可以正常工作，只要信號高于或低于臨界閾值電平。在數字系統中，故障是突然的（懸崖效應），因為信號的劣化最初被（閾值）拒絕，直到它們變得嚴重到足以破壞數據。在那里，有必要測試性能裕度，以確保產品在其保修期內和極端條件下運行。

裕量是計算機行業中使用的一種長期成熟的技術，通過在比正常服務中遇到的壓力更大的條件下對其進行測試來證明數字過程的可靠性。失效前可以施加的額外應力程度是性能裕度的衡量標準。

保證金技術可以應用并取得巨大成功，如果使用得當，將提供急需的信心因子。對電路進行裕量有兩種典型方法：一種是使用病理數據模式。根據所使用的系統和編碼，具有 1 或 0 的長字符串的數據模式缺少時鐘數據，并且可能會強調閾值要求。第二種也是更通用的方法是改變電源電平（通常通過降低電壓）。

校準裕量

在 系統 或 PCB 的 設計 階段， 設計 人員 必須 定義 測試 協議。該過程將詳細說明如何量化施加到被測器件（DUT）的應力，以及如何客觀地將DUT分類為不同的性能級別或使產品失效（表1）。該協議應清除早期嬰兒故障，并提供DUT在其預計壽命內運行的信心。典型的協議會逐步降低電源電壓，可能會改變時鐘速度等其他參數，并監控一些關鍵功能參數。例如，將設置限制，將 DUT 分類為高性能到低性能單元，并刪除故障設備。

將 DUT 放入箱 A、B、C、D、E 或故障的示例過程

實施一個軟件或固件程序，可以調整電源電壓和改變時鐘速度，同時交替將兩種數據模式之一寫入存儲器。每次寫入內存后，讀取內存以監視錯誤。

在以下分檔操作中，將執行校準以精確設置電源電壓。還將完成其他校準程序，以補償部件公差并確保滿足所有其他規格。

故障部件可以根據經濟因素進行修復或丟棄。小心故障板的丟棄方式;它們必須被物理銷毀，以防止不道德的人在灰色市場上出售它們并損害合法制造商的聲譽。

使用裕量和校準的其他方法

其他系統規格可以通過裕量和校準的組合來滿足。可以改進的參數包括功耗和電源噪聲抑制（見圖1）。

圖1.電源去耦和監控系統。

工程似乎總是涉及某些優點和缺點之間的權衡。線性（低壓差）穩壓器很安靜，但多余的功率會轉化為熱量。開關穩壓器通電高效，但往往噪聲大。圖1使用校準來兩全其美。電源穩壓器的容差通常在 5% 至 10% 的范圍內。現在，設想一個具有裕量的系統，該系統必須將功耗降至最低。兩個穩壓器的輸出通過單獨的低通濾波器或去耦，以最大限度地降低噪聲。大多數電源穩壓器都針對直流進行了優化，并且具有足夠的頻率響應來響應線路和負載的變化。它們用作反饋環路，將輸出電壓與基準進行比較。典型的頻率響應限制在幾十到幾百千赫茲，以防止振蕩。

MAX11600系列具有輸入多路復用器，后接模數轉換器（ADC），可監測多達12個獨立點。為了最大限度地降低功耗，我們通過在開關穩壓器上設置數字電位計（電位器）來測量點A，該點考慮了開關穩壓器去耦端的壓降。B點測量通過調整LDO上的數字電位器來補償LDO去耦網絡上的壓降。通過將開關穩壓器設置為略高于所需的LDO電壓，我們可以以最小的功率損耗獲得相對安靜的功率。為了進一步降低噪聲，可以用基準電壓源代替LDO，或者在LDO輸出端增加一個基準電壓源，為關鍵電路（如低噪聲放大器）供電。

裕量調節具有明顯的優勢，并允許在產品發貨前檢測和糾正潛在的故障。但是對于所有工程，都有危險。在工藝和組件公差范圍內，給定批次可能無法獲得最高等級的風險。因此，人們可能會被大量低級單位的庫存所困。將產品分類為性能等級并相應地定價是有問題的，但作為一種測試工具，測試它要安全得多。問題是統計數據。

仔細的統計設計對于防止低產量陷阱是必要的。可以找到可以幫助設計的工具示例。它們包括用于HP 50g的模擬設計計算器，包括在個人計算機上運行的免費模擬器。統計過程控制計算器有助于預測和分析過程產量。它計算每百萬缺陷數、良率、過程偏移、標準偏差、平均值以及規格下限和規格上限。Micro-Cap 10是Spectrum Software的電路模擬器（有一個免費的評估版本）。該軟件允許掃描電阻值并執行蒙特卡羅分析，以探索元件公差的影響。

隨著變量（組件）數量的增加，“保證”低收益保護可能變得不切實際。然后，可以采用另一種校準技術。假設產品有幾個校準區域。我們將這些區域稱為 A、B 和 C（可以容納任意數量的區域）。最高性能（價格）的設備在所有領域都經過全面校準。中端產品在A區和C區進行校準。最便宜的產品只能在C區校準，調節器件（數字電位器或DAC）在A區和B區用固定電阻代替。這通過降低低精度產品的測試和組件成本，創造了真正的產品差異化。

結論

裕量調節可以有效地檢測系統中的早期故障，并提供一種區分產品性能水平的方法。盡管股票市場中的追加保證金通知可能風險更大，但保護自己免受電子保證金的低收益陷阱也很重要。