突破性、可擴(kuò)展、直觀的電源排序系統(tǒng)可加快設(shè)計(jì)和調(diào)試

介紹

眾所周知，電子系統(tǒng)在所有行業(yè)中都變得越來越復(fù)雜。這種復(fù)雜性如何滲透到電源設(shè)計(jì)中并不那么明顯。例如，功能復(fù)雜性通常通過使用 ASIC、FPGA 和微處理器來解決，以更小的外形尺寸豐富應(yīng)用功能集。這些器件為電源系統(tǒng)提供不同的數(shù)字負(fù)載，需要在一系列功率水平上提供各種各樣的電壓軌，每個(gè)電壓軌都具有高度個(gè)性化的電源軌容差。同樣，電源的正確啟動和關(guān)斷順序也很重要。隨著時(shí)間的推移，電路板上電壓軌數(shù)量的倍增使得電源系統(tǒng)時(shí)序設(shè)計(jì)和調(diào)試呈指數(shù)級增長。

可擴(kuò)展性

應(yīng)用板所需的電壓軌數(shù)量是電路板復(fù)雜程度的函數(shù)。電源設(shè)計(jì)人員可能面對僅需要 10 個(gè)電壓軌的電路板，以及需要 200 個(gè)電壓軌的電路板。時(shí)序器器件通常最多有 16 個(gè)電源軌，設(shè)計(jì)為可以輕松應(yīng)用到該數(shù)量。一旦電源軌數(shù)量超過單個(gè)時(shí)序控制器支持的數(shù)量，復(fù)雜性就會迅速增加，這就要求設(shè)計(jì)人員了解每個(gè)時(shí)序控制器的變幻莫測，以及如何將其組合到復(fù)雜系統(tǒng)中。

通常，多個(gè)時(shí)序控制器在高計(jì)數(shù)電壓軌系統(tǒng)中級聯(lián)，這是一項(xiàng)不平凡的任務(wù)。在級聯(lián)系統(tǒng)中，復(fù)雜性隨著電壓軌數(shù)量的線性增加呈指數(shù)級增長。設(shè)計(jì)人員采用了級聯(lián)時(shí)序控制器的創(chuàng)新方法來降低復(fù)雜性，例如使用乒乓機(jī)制或通過專用數(shù)字信號共享故障和電源良好狀態(tài)。雖然這些解決方案在相對簡單的序列中就足夠了，但在偏離簡單上電/斷電時(shí)序的系統(tǒng)中，它們很快就會變得站不住腳。

ADM1266通過真正的可擴(kuò)展性解決了復(fù)雜性問題。它是ADI超級序列器?系列器件的最新成員。連接多個(gè)ADM1266器件需要使用專用的雙線器件間總線（IDB）進(jìn)行通信。每個(gè)ADM1266能夠監(jiān)控和排序17個(gè)電壓軌，只要所有器件都連接到同一IDB，最多可以并聯(lián)16個(gè)ADM1266器件來監(jiān)控和排序257個(gè)電壓軌。

ADM1266采用單主機(jī)，其他ADM1266器件用作從器件。這些器件采用并行架構(gòu)，其中連接到IDB的每個(gè)ADM1266都根據(jù)系統(tǒng)條件轉(zhuǎn)換為相同的下一狀態(tài)，確?？偩€上的每個(gè)ADM1266都同步?？偩€通信是透明的，因此設(shè)計(jì)人員在為單個(gè)ADM1266創(chuàng)建序列時(shí)的體驗(yàn)與為16個(gè)ADM1266器件創(chuàng)建時(shí)序的體驗(yàn)相同。該系統(tǒng)的一個(gè)顯著優(yōu)勢是，設(shè)計(jì)人員只需要學(xué)習(xí)如何將一個(gè)器件用于簡單和復(fù)雜的設(shè)計(jì)，從而消除了不同器件的多個(gè)學(xué)習(xí)曲線。級聯(lián)多個(gè)設(shè)備就像將它們連接到同一個(gè) IDB 一樣簡單，如圖 1 所示。

基于事件的排序

現(xiàn)代時(shí)序控制器不僅要監(jiān)控電壓軌，還必須對數(shù)字信號做出反應(yīng)。傳統(tǒng)的基于時(shí)間的序列器具有固定信號，具有專用結(jié)果和有限的功能。

讓我們以帶有可選子板的主板為例。子卡檢測信號由序列器監(jiān)視：當(dāng)存在此信號時(shí)，序列器調(diào)出子卡上存在的電壓軌;當(dāng)信號不存在時(shí)，序列器將繼續(xù)執(zhí)行主板序列過程，完成電源處于良好狀態(tài)。這種子卡檢測信號在大多數(shù)傳統(tǒng)序列器上不可用。此外，此類要求會因應(yīng)用而異，并且可以通過通用輸入輸出引腳（GPIO）來解決。

另一個(gè)例子涉及為ASIC和FPGA供電，其中系統(tǒng)要求在FPGA上電之前完全啟動并運(yùn)行ASIC。在這種情況下，時(shí)序控制器按順序啟動ASIC電源，然后等待來自ASIC的數(shù)字電源就緒信號。一旦 ASIC 電源良好信號被置位，它將等待 100 毫秒，然后繼續(xù)為 FPGA 供電。需要基于事件的序列器來生成此復(fù)雜序列。在具有多個(gè)時(shí)序器的系統(tǒng)中，重要的是一個(gè)器件上的事件信息與板上的其他器件共享，以便它們一致行動。

電壓監(jiān)控器OV和UV比較器、GPIO和PDIO等數(shù)字信號、定時(shí)器、變量以及來自IDB的消息均饋入功能豐富的ADM1266序列引擎并觸發(fā)事件。用戶可以輕松創(chuàng)建復(fù)雜的狀態(tài)機(jī)，以監(jiān)視各種事件并采取適當(dāng)?shù)牟僮鳌?/p>

圖1.通過IDB組合多個(gè)ADM1266的序列，可以輕松放大序列。

加速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)上，使用單個(gè)時(shí)序控制器設(shè)計(jì)電源排序系統(tǒng)的用戶體驗(yàn)與需要多個(gè)時(shí)序控制器的系統(tǒng)截然不同。也就是說，使用單個(gè)時(shí)序控制器處理16個(gè)電壓的設(shè)計(jì)通常很簡單：設(shè)計(jì)人員使用軟件圖形用戶界面（GUI）來配置每個(gè)電壓軌及其排序。該過程通常是手動選擇/設(shè)置過程，重復(fù)16個(gè)導(dǎo)軌。現(xiàn)在想象一下具有五個(gè)序列器和 80 個(gè)電源軌的設(shè)計(jì)。使用 GUI 手動配置 80 個(gè)導(dǎo)軌非常耗時(shí)且容易出現(xiàn)人為錯(cuò)誤。設(shè)計(jì)人員還必須確定如何最好地級聯(lián)多個(gè)器件，并將五個(gè)時(shí)序控制器的資源分配給80個(gè)電壓軌。大多數(shù)軟件輔助設(shè)計(jì)工具實(shí)際上并沒有幫助。用戶必須了解時(shí)序器IC的具體功能，并通過GUI明確告訴它該做什么，為每個(gè)項(xiàng)目創(chuàng)建一個(gè)相當(dāng)陡峭的學(xué)習(xí)曲線。

ADM1266采用不同的方法。它使用基于PC的ADI Power Studio進(jìn)行配置和調(diào)試，?其功能遠(yuǎn)不止配置ADM1266的各種設(shè)置。ADI Power Studio是一款完整的開發(fā)和調(diào)試工具，可幫助設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)魯棒的序列。它使設(shè)計(jì)人員能夠在比傳統(tǒng)GUI更高的水平上處理電源系統(tǒng)。例如，內(nèi)置向?qū)乖O(shè)計(jì)人員能夠在幾分鐘內(nèi)設(shè)置和配置80個(gè)電壓軌，如果手動完成，這項(xiàng)任務(wù)將需要幾個(gè)小時(shí)。圖 2 和圖 3 顯示了該接口的一些示例。

圖2.ADI Power Studio具有自定義電源名稱，可以極大地

圖3.整個(gè)系統(tǒng)的一步配置。系統(tǒng)軌向?qū)б龑?dǎo)設(shè)計(jì)人員完成使用相同的界面配置整個(gè)序列的過程，而不考慮軌量。請注意用戶定義的自定義導(dǎo)軌名稱，以便更容易識別單個(gè)導(dǎo)軌。

設(shè)計(jì)人員首先創(chuàng)建一個(gè)虛擬狀態(tài)機(jī)來滿足系統(tǒng)的要求。在單個(gè)序列器設(shè)計(jì)（≤17 軌）中，GUI 的虛擬狀態(tài)機(jī)僅與序列器的狀態(tài)機(jī)匹配。隨著更多序列器的添加，虛擬狀態(tài)機(jī)偏離各個(gè)序列器狀態(tài)機(jī)，當(dāng)設(shè)備相互通信各種事件時(shí)，需要在狀態(tài)機(jī)中執(zhí)行額外的步驟。

例如，設(shè)計(jì)人員監(jiān)視序列器 1 上的兩個(gè)電壓軌和序列器 2 上的兩個(gè)電壓軌。該設(shè)計(jì)要求，如果四個(gè)電壓軌中的任何一個(gè)出現(xiàn)故障，則一切都會關(guān)閉。實(shí)際上，由于有兩個(gè)設(shè)備，它們必須在它們之間共享故障信號。系統(tǒng)的虛擬狀態(tài)機(jī)和各個(gè)設(shè)備的狀態(tài)機(jī)如圖 4 所示。

圖4.虛擬狀態(tài)機(jī)與設(shè)備級狀態(tài)機(jī)。

隨著電源軌的數(shù)量和排序要求變得越來越復(fù)雜，系統(tǒng)的虛擬狀態(tài)機(jī)和設(shè)備級別的狀態(tài)機(jī)越來越偏離。設(shè)計(jì)師知道他或她想要發(fā)生什么，但必須讓序列器協(xié)同工作才能實(shí)現(xiàn)它，這是一個(gè)耗時(shí)且通常有缺陷的過程。ADI Power Studio自動執(zhí)行大部分狀態(tài)機(jī)創(chuàng)建過程。用戶使用GUI設(shè)計(jì)虛擬狀態(tài)機(jī)，而ADI Power Studio中的編譯器處理各種序列器之間通信的復(fù)雜性。這使設(shè)計(jì)人員能夠使用靈活、直觀的過程創(chuàng)建復(fù)雜的狀態(tài)機(jī)。

強(qiáng)大的調(diào)試工具

在任何復(fù)雜系統(tǒng)的開發(fā)過程中，錯(cuò)誤都會自然發(fā)生。理想情況下，大多數(shù)錯(cuò)誤在開發(fā)過程中出現(xiàn)并被根除，但有些錯(cuò)誤會蔓延到生產(chǎn)環(huán)境中。無論哪種方式，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員都必須擁有快速識別故障并進(jìn)行更改以解決故障的工具，因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員通?；ㄙM(fèi)比純設(shè)計(jì)更多的時(shí)間進(jìn)行調(diào)試。典型故障包括電壓軌故障和邏輯電平錯(cuò)誤的信號。

讓我們繼續(xù)以一個(gè)具有80個(gè)電壓軌的電路板為例，其中一個(gè)電壓軌在設(shè)計(jì)階段發(fā)生故障的情況并不少見。故障可能是組件級別或配置級別的設(shè)計(jì)缺陷。無論哪種方式，識別問題都始于確定麻煩的鐵路。問題在于，在典型序列中，如果任何電壓軌發(fā)生故障，則排序器將關(guān)閉所有電壓軌。這種關(guān)斷行為雖然在生產(chǎn)級產(chǎn)品中很可靠，但在設(shè)計(jì)階段會妨礙調(diào)試，因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)的故障隱藏了故障。設(shè)計(jì)師看不到森林的樹。設(shè)計(jì)人員不太可能同時(shí)監(jiān)控所有 80 個(gè)電源軌，因此幾乎不可能在故障時(shí)識別有問題的電源軌。

在理想的調(diào)試系統(tǒng)中，一旦識別出容易發(fā)生故障的電壓軌，其他電壓軌將保持供電狀態(tài)，以便可以觀察到有問題的電壓軌的行為，同時(shí)系統(tǒng)的其余部分保持活動狀態(tài)。盡管強(qiáng)制修改序列配置可以實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，但中斷序列以調(diào)試序列充其量是一種繁瑣的方法。

ADI Power Studio和ADM1266具有高級調(diào)試工具，常見于軟件設(shè)計(jì)環(huán)境中，可簡化調(diào)試過程。第一個(gè)調(diào)試工具以斷點(diǎn)的形式出現(xiàn)，其中序列在特定狀態(tài)下停止前進(jìn)。在具有多個(gè)ADM1266器件的系統(tǒng)中，所有ADM1266器件都將通過狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)換，并在具有用戶定義斷點(diǎn)的狀態(tài)開始時(shí)停止。序列中的這種暫停使設(shè)計(jì)人員能夠調(diào)試故障電壓軌或驗(yàn)證信號未處于正確邏輯電平的原因。

設(shè)計(jì)器還可以通過將斷點(diǎn)應(yīng)用于所有狀態(tài)來單步執(zhí)行序列。單步進(jìn)的一個(gè)應(yīng)用是在使能電壓軌之前檢查預(yù)偏置啟動的電壓軌。設(shè)計(jì)人員可以單步執(zhí)行電源序列，以查看是否有任何可能禁用的電源軌在其輸出端具有電壓，如ADI Power Studio的監(jiān)控窗口部分所示。圖 5 顯示了用戶定義的斷點(diǎn)的示例。

圖5.斷點(diǎn)使設(shè)計(jì)人員能夠在任何狀態(tài)下暫停序列，以增強(qiáng)調(diào)試。

另一個(gè)調(diào)試工具是黑盒記錄功能，當(dāng)關(guān)鍵事件觸發(fā)時(shí)，ADM1266會拍攝所有電壓監(jiān)控和數(shù)字引腳狀態(tài)的快照。一旦觸發(fā)黑匣子，它就會記錄諸如事件發(fā)生時(shí)的狀態(tài)、以前的良好狀態(tài)、事件發(fā)生的時(shí)間、部件通電和出現(xiàn)故障的次數(shù)等信息。這有助于設(shè)計(jì)人員查明故障并快速診斷原因。

黑匣子功能在捕獲生產(chǎn)應(yīng)用中的故障情況、協(xié)助維護(hù)和升級方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。它還可以用作開發(fā)中的調(diào)試工具。例如，當(dāng)設(shè)計(jì)面臨熱室測試或機(jī)械測試時(shí)，不可能使用臺式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備進(jìn)行探測，而黑匣子可以捕獲故障以供以后審查。圖 6 顯示了黑盒記錄的屏幕截圖。

圖6.黑盒狀態(tài)監(jiān)控在用戶定義的事件中拍攝條件快照。黑盒觸發(fā)器可以包含在生產(chǎn)系統(tǒng)中，以幫助進(jìn)行現(xiàn)場故障排除和維護(hù)以及調(diào)試。

結(jié)論

為了解決日益復(fù)雜的上電排序要求，解決方案必須可擴(kuò)展、功能豐富且直觀。ADI Power Studio和ADM1266 17通道時(shí)序控制器通過高級設(shè)計(jì)和調(diào)試工具滿足這些條件，可縮短開發(fā)和調(diào)試時(shí)間。這使設(shè)計(jì)人員能夠?qū)⒏鄷r(shí)間集中在創(chuàng)新和生產(chǎn)強(qiáng)大的解決方案上。

審核編輯：郭婷