具有突破性、可擴展、直觀(guān)易用的上電時(shí)序系統可加快設計和調試速度

簡(jiǎn)介

各行各業(yè)的電子系統都變得越來(lái)越復雜，這已經(jīng)不是什么秘密。至于這種復雜性如何滲透到電源設計中，卻不是那么明顯。例如，功能復雜性一般通過(guò)使用ASIC、FPGA和微處理器來(lái)解決，在更小的外形尺寸中融入更豐富的應用特性。這些設備向電源系統提供不同的數字負載，要求使用不同功率等級的多種電壓軌，每一種都具有高度個(gè)性化的電壓軌容差。同樣，正確的電源開(kāi)啟和關(guān)斷時(shí)序也很重要。隨著(zhù)時(shí)間推移，電路板上電壓軌的數量成倍增加，使得電源系統的時(shí)序設計和調試變得更加復雜。

可擴展性

應用電路板所需的電壓軌數量與電路板的復雜度緊密關(guān)聯(lián)。電源設計人員面對的電路板可能只需要10個(gè)電壓軌，也可能需要多達200個(gè)電壓軌。時(shí)序控制器設備最多需要約16個(gè)電壓軌，設計時(shí)很容易達到這個(gè)數量。一旦電壓軌數量超過(guò)單個(gè)時(shí)序控制器支持的數量，復雜度會(huì )急劇上升，要求設計人員了解每種時(shí)序控制器的各種變化情況，以及如何將其融入復雜系統。

通常，在高電壓軌數系統中級聯(lián)多個(gè)時(shí)序控制器并不容易實(shí)現。在級聯(lián)系統中，隨著(zhù)電壓軌數量線(xiàn)性增加，復雜度呈指數增長(cháng)。設計人員可采用一些創(chuàng )新的方法實(shí)現時(shí)序控制器級聯(lián)，以簡(jiǎn)化設計，比如采用乒乓機制，或者通過(guò)專(zhuān)用的數字信號共享故障和電源良好狀態(tài)。雖然這些解決方案足以應付相對簡(jiǎn)單的時(shí)序，但對于復雜的上電/關(guān)斷時(shí)序，這些解決方案顯然力不從心。

ADM1266具備真正的可擴展性，可以解決復雜性問(wèn)題。它是ADI Super Sequencer?超級時(shí)序控制器系列中的最新產(chǎn)品。連接多個(gè)ADM1266設備時(shí)，需要使用專(zhuān)用的雙線(xiàn)器件間總線(xiàn)(IDB)進(jìn)行通信。每個(gè)ADM1266均可監測和控制17條電壓軌的時(shí)序，只要所有這些設備都連接至同一個(gè)IDB，可并聯(lián)多達16個(gè)ADM1266設備，以監測和控制257條電壓軌的時(shí)序。

ADM1266使用一個(gè)主設備，其他的ADM1266設備則充當從設備。這些設備采用并行架構，其中每個(gè)連接到IDB的單個(gè)ADM1266根據系統狀況轉換到相同的下一個(gè)狀態(tài)，確?？偩€(xiàn)上的每個(gè)ADM1266同步?？偩€(xiàn)通信是透明的，因此設計人員為單個(gè)ADM1266設備和為16個(gè)ADM1266設備創(chuàng )建時(shí)序的感覺(jué)是一樣的。該系統的一個(gè)明顯優(yōu)勢，就是設計人員只需要學(xué)習如何使用一個(gè)設備完成簡(jiǎn)單和復雜的設計，無(wú)需針對每個(gè)不同設備多次學(xué)習。級聯(lián)多個(gè)設備就像將它們連接到同一個(gè)IDB一樣簡(jiǎn)單，如圖1所示。

基于事件的定序方案

現代時(shí)序控制器不僅要監測電壓軌，還必須對數字信號做出反應。傳統的基于時(shí)間的時(shí)序控制器具有固定的信號，獲得定制效果，功能有限。

我們以帶可選子板的主板為例。時(shí)序控制器監控子卡的信號檢測：當該信號存在時(shí)，時(shí)序控制器會(huì )調出子卡上的電壓軌；當信號不存在時(shí)，時(shí)序控制器繼續執行主板時(shí)序控制程序，在電源達到良好狀態(tài)時(shí)結束。大多數傳統型時(shí)序控制器不提供這種子卡信號檢測。此外，這種要求會(huì )隨應用而變化，可以使用通用輸入輸出引腳(GPIO)來(lái)解決。

另一個(gè)示例涉及為ASIC和FPGA供電，其中系統要求在為FPGA供電之前，ASIC完全通電并運行。在這種情況下，時(shí)序控制器按順序調出ASIC電源，然后等待來(lái)自ASIC的數字電源狀態(tài)良好信號。一旦確認ASIC電源狀態(tài)良好信號，它將等待100毫秒，然后繼續為FPGA供電。需要一個(gè)基于事件的時(shí)序控制器來(lái)生成這個(gè)復雜的時(shí)序。在具有多個(gè)時(shí)序控制器的系統中，需要將一個(gè)設備上的事件信息與板上的其他設備共享，使它們行動(dòng)一致，這一點(diǎn)非常重要。

電壓監控器OV和UV比較器、數字信號（如GPIO和PDIO）、定時(shí)器、變量，以及來(lái)自IDB的消息，所有這些都會(huì )饋送給功能豐富的ADM1266時(shí)序引擎，從而觸發(fā)事件。用戶(hù)可以輕松創(chuàng )建復雜的狀態(tài)機，用以監測各種事件并采取適當的操作。

圖1.可以通過(guò)IDB將多個(gè)ADM1266組合在一起，輕松擴展時(shí)序。

加快系統設計

傳統上，使用單個(gè)時(shí)序控制器設計上電時(shí)序系統的用戶(hù)體驗與設計需要使用多個(gè)時(shí)序控制器的系統時(shí)的體驗有很大的不同。也就是說(shuō)，用單個(gè)時(shí)序控制器控制16個(gè)電壓的設計通常很簡(jiǎn)單：設計人員可以使用軟件圖形用戶(hù)界面(GUI)來(lái)配置每個(gè)電壓軌及其時(shí)序。其過(guò)程通常是針對16個(gè)電壓軌重復進(jìn)行手動(dòng)選擇/設置操作?，F在想象一下采用5個(gè)時(shí)序控制器和80條電壓軌的設計。使用GUI手動(dòng)配置80條電壓軌不但耗時(shí)，且很容易出錯。設計人員還必須確定如何以最佳方式級聯(lián)多個(gè)設備，以及將5個(gè)時(shí)序控制器的資源分配給80個(gè)電壓軌。大多數軟件輔助設計工具實(shí)際上并不能提供任何幫助。用戶(hù)必須理解時(shí)序控制器IC的特定功能，并通過(guò)GUI發(fā)布明確指令，每個(gè)項目都需要迅速學(xué)習大量?jì)热荨?/p>

ADM1266采用了一種不同的方法。它使用基于PC的ADI Power Studio? 進(jìn)行配置和調試，不只是配置ADM1266的各種設置。ADI Power Studio是一款完整的開(kāi)發(fā)和調試工具，可以幫助設計人員實(shí)現穩健的時(shí)序。相比傳統GUI，它讓設計人員能夠以更高水平處理電源系統。例如，內置向導能夠幫助設計人員在幾分鐘內設置和配置80條電壓軌，如果手動(dòng)操作，完成這項任務(wù)需要幾個(gè)小時(shí)。圖2和圖3所示為一些界面示例。

圖2.ADI Power Studio可自定義電壓軌名稱(chēng)，這可以大幅

圖3.一步配置整個(gè)系統。無(wú)論電壓軌數量是多少，系統電壓軌向導通過(guò)相同界面，引導設計人員完成整個(gè)序列配置過(guò)程。注意，用戶(hù)自定義的電壓軌名稱(chēng)有助于迅速輕松識別各電壓軌。

設計人員首先要創(chuàng )建一個(gè)虛擬狀態(tài)機來(lái)滿(mǎn)足系統的要求。在單個(gè)時(shí)序控制器設計中（≤17條電壓軌），GUI的虛擬狀態(tài)機與時(shí)序控制器的狀態(tài)機相匹配。隨著(zhù)添加更多時(shí)序控制器，虛擬狀態(tài)機與單個(gè)時(shí)序控制器狀態(tài)機之間出現差異，在設備彼此之間就各種事件通信時(shí)，需要在狀態(tài)機中采取額外步驟。

例如，設計人員在時(shí)序控制器1上監測兩條電壓軌，在時(shí)序控制器2上也監測兩條電壓軌。該設計要求，如果這四條電壓軌中的任何一條出現故障，那么所有一切都將關(guān)閉。實(shí)際上，因為這里有兩個(gè)設備，它們之間必須共享故障信號。系統的虛擬狀態(tài)機和各個(gè)設備的狀態(tài)機如圖4所示。

圖4.虛擬狀態(tài)機與設備級狀態(tài)機。

隨著(zhù)電壓軌數量增加，定序需求變得愈加復雜，系統級虛擬狀態(tài)機和設備級狀態(tài)機的差異也越來(lái)越大。設計人員知道自己的設計目標，但必須通過(guò)時(shí)序控制器協(xié)同工作來(lái)實(shí)現，這個(gè)過(guò)程不但耗時(shí)，且通常漏洞很多。ADI Power Studio讓大部分狀態(tài)機創(chuàng )建流程實(shí)現了自動(dòng)化。用戶(hù)使用GUI來(lái)設計虛擬狀態(tài)機，而ADI Power Studio則通過(guò)編譯器來(lái)處理各種時(shí)序控制器之間的復雜通信。這讓設計人員能夠通過(guò)靈活、直觀(guān)的流程創(chuàng )建復雜的狀態(tài)機。

功能強大的調試工具

在開(kāi)發(fā)任何復雜系統的過(guò)程中，難免會(huì )出現漏洞。理想情況下，大多數漏洞出現后，都會(huì )在開(kāi)發(fā)過(guò)程中根除，但有些漏洞會(huì )悄無(wú)聲息地進(jìn)入生產(chǎn)環(huán)節。無(wú)論哪種情況，系統設計人員擁有合適的工具，能夠快速識別故障并更改解決，這一點(diǎn)至關(guān)重要，通常設計人員用于調試的時(shí)間遠超純設計時(shí)間。典型的故障包括電壓軌故障和信號的邏輯電平錯誤。

現在，我們繼續以具有80條電壓軌的電路板為例，在電路板設計過(guò)程中，其中一條電壓軌出現故障的情況很常見(jiàn)。故障可能是組件級或配置級設計缺陷導致的。無(wú)論如何，要找出問(wèn)題的起因，首先還是要找出導致故障的電壓軌。問(wèn)題是，在典型時(shí)序中，如果任意一個(gè)電壓軌發(fā)生故障，那么時(shí)序控制器會(huì )關(guān)閉所有電壓軌。這種關(guān)斷行為，雖然對于量產(chǎn)級產(chǎn)品很可靠，但在設計階段卻會(huì )妨礙調試，因為這種個(gè)別故障會(huì )隱藏在整個(gè)系統的故障之中。使設計人員一葉障目。設計人員不太可能同時(shí)監測所有80條電壓軌，因此幾乎不可能在電壓軌出現故障時(shí)第一時(shí)間找出它。

在理想的調試系統中，一旦確定了容易發(fā)生故障的電壓軌，其他電壓軌會(huì )保持通電狀態(tài)，這樣，在檢查故障電壓軌行為的同時(shí)，系統的余下部分可以保持正常運行。雖然強制修改時(shí)序配置可以實(shí)現這一目標，但以打破時(shí)序的方式來(lái)調試時(shí)序充其量只是一種麻煩的方法。

ADI Power Studio和ADM1266配有軟件設計環(huán)境中常見(jiàn)的高級調試工具，可以簡(jiǎn)化調試過(guò)程。第一個(gè)調試工具以斷點(diǎn)的形式出現，在特定狀態(tài)下，時(shí)序會(huì )停止前進(jìn)。在采用多個(gè)ADM1266器件的系統中，所有ADM1266器件都將通過(guò)狀態(tài)機進(jìn)行轉換，在到達包含用戶(hù)定義的斷點(diǎn)的狀態(tài)時(shí)停止。這種時(shí)序暫停讓設計人員能夠調試出現故障的電壓軌，或者確認信號的邏輯電平錯誤的原因。

設計人員還可以對所有狀態(tài)應用斷點(diǎn)，以便逐步檢查整個(gè)時(shí)序。單步執行應用方法用于在啟用電壓軌之前，檢查它們的預偏置啟動(dòng)狀況。設計人員可以采用單步方式檢查整個(gè)上電時(shí)序，查看任何可能被禁用的電壓軌輸出端是否有電壓—這會(huì )顯示在A(yíng)DI power Studio的監視器窗口部分。圖5顯示用戶(hù)自定義的斷點(diǎn)示例。

圖5.斷點(diǎn)讓設計人員能夠在任何狀態(tài)下暫停時(shí)序，以深化調試。

另一個(gè)調試工具是黑盒記錄功能，其中，ADM1266會(huì )在黑盒被關(guān)鍵事件觸發(fā)時(shí)捕獲所有電壓監測和數字引腳的狀態(tài)快照。一旦黑盒被觸發(fā)，它會(huì )記錄諸如事件發(fā)生時(shí)的狀態(tài)、之前的良好狀態(tài)、事件發(fā)生的時(shí)間、部件上電的次數和出現故障的次數等信息。這有助于設計人員查明故障并快速診斷原因。

在生產(chǎn)應用中，黑盒特性在捕獲故障狀況、協(xié)助維護和升級方面發(fā)揮著(zhù)關(guān)鍵作用。它也可以用作開(kāi)發(fā)過(guò)程中的調試工具。例如，在設計要經(jīng)受熱室測試或機械測試時(shí)，是不可能使用臺式實(shí)驗室設備進(jìn)行探測的，但黑盒可以記錄故障，以供后續查看。圖6所示為黑盒記錄的屏幕截圖。

圖6.黑盒狀態(tài)監測會(huì )獲取用戶(hù)定義事件的狀況快照。黑盒觸發(fā)器可以應用于生產(chǎn)系統，幫助排除現場(chǎng)故障，以及進(jìn)行維護和調試。

結論

為了應對日益復雜的上電時(shí)序需求，解決方案必須可以擴展、功能豐富且直觀(guān)易用。ADI Power Studio和ADM1266 17通道時(shí)序控制器滿(mǎn)足這些條件，采用先進(jìn)的設計和調試工具來(lái)縮短開(kāi)發(fā)和調試時(shí)間。這讓設計人員能夠將更多時(shí)間用于創(chuàng )新和構建穩健的解決方案。

作者簡(jiǎn)介

Navdeep已在A(yíng)DI公司工作14年，在此期間他一直參與數字電源和Super Sequencer?超級時(shí)序控制器等突破性產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作。他曾擔任直觀(guān)數字電源圖形用戶(hù)界面的架構師，最近擔任ADM1266超級時(shí)序控制器的架構師，負責固件、軟件和硬件開(kāi)發(fā)。他擁有三項專(zhuān)利，持有圣何塞州立大學(xué)的電氣工程碩士學(xué)位。