具有突破性、可擴(kuò)展、直觀易用的上電時序系統(tǒng)可加快設(shè)計和調(diào)試速度

簡介

各行各業(yè)的電子系統(tǒng)都變得越來越復(fù)雜，這已經(jīng)不是什么秘密。至于這種復(fù)雜性如何滲透到電源設(shè)計中，卻不是那么明顯。例如，功能復(fù)雜性一般通過使用ASIC、FPGA和微處理器來解決，在更小的外形尺寸中融入更豐富的應(yīng)用特性。這些設(shè)備向電源系統(tǒng)提供不同的數(shù)字負(fù)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性化的電壓軌容差。同樣，正確的電源開啟和關(guān)斷時序也很重要。隨著時間推移，電路板上電壓軌的數(shù)量成倍增加，使得電源系統(tǒng)的時序設(shè)計和調(diào)試變得更加復(fù)雜。

可擴(kuò)展性

應(yīng)用電路板所需的電壓軌數(shù)量與電路板的復(fù)雜度緊密關(guān)聯(lián)。電源設(shè)計人員面對的電路板可能只需要10個電壓軌，也可能需要多達(dá)200個電壓軌。時序控制器設(shè)備最多需要約16個電壓軌，設(shè)計時很容易達(dá)到這個數(shù)量。一旦電壓軌數(shù)量超過單個時序控制器支持的數(shù)量，復(fù)雜度會急劇上升，要求設(shè)計人員了解每種時序控制器的各種變化情況，以及如何將其融入復(fù)雜系統(tǒng)。

通常，在高電壓軌數(shù)系統(tǒng)中級聯(lián)多個時序控制器并不容易實現(xiàn)。在級聯(lián)系統(tǒng)中，隨著電壓軌數(shù)量線性增加，復(fù)雜度呈指數(shù)增長。設(shè)計人員可采用一些創(chuàng)新的方法實現(xiàn)時序控制器級聯(lián)，以簡化設(shè)計，比如采用乒乓機(jī)制，或者通過專用的數(shù)字信號共享故障和電源良好狀態(tài)。雖然這些解決方案足以應(yīng)付相對簡單的時序，但對于復(fù)雜的上電/關(guān)斷時序，這些解決方案顯然力不從心。

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

ADM1266使用一個主設(shè)備，其他的ADM1266設(shè)備則充當(dāng)從設(shè)備。這些設(shè)備采用并行架構(gòu)，其中每個連接到IDB的單個ADM1266根據(jù)系統(tǒng)狀況轉(zhuǎn)換到相同的下一個狀態(tài)，確?？偩€上的每個ADM1266同步?？偩€通信是透明的，因此設(shè)計人員為單個ADM1266設(shè)備和為16個ADM1266設(shè)備創(chuàng)建時序的感覺是一樣的。該系統(tǒng)的一個明顯優(yōu)勢，就是設(shè)計人員只需要學(xué)習(xí)如何使用一個設(shè)備完成簡單和復(fù)雜的設(shè)計，無需針對每個不同設(shè)備多次學(xué)習(xí)。級聯(lián)多個設(shè)備就像將它們連接到同一個IDB一樣簡單，如圖1所示。

基于事件的定序方案

現(xiàn)代時序控制器不僅要監(jiān)測電壓軌，還必須對數(shù)字信號做出反應(yīng)。傳統(tǒng)的基于時間的時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。時序控制器監(jiān)控子卡的信號檢測：當(dāng)該信號存在時，時序控制器會調(diào)出子卡上的電壓軌；當(dāng)信號不存在時，時序控制器繼續(xù)執(zhí)行主板時序控制程序，在電源達(dá)到良好狀態(tài)時結(jié)束。大多數(shù)傳統(tǒng)型時序控制器不提供這種子卡信號檢測。此外，這種要求會隨應(yīng)用而變化，可以使用通用輸入輸出引腳(GPIO)來解決。

另一個示例涉及為ASIC和FPGA供電，其中系統(tǒng)要求在為FPGA供電之前，ASIC完全通電并運行。在這種情況下，時序控制器按順序調(diào)出ASIC電源，然后等待來自ASIC的數(shù)字電源狀態(tài)良好信號。一旦確認(rèn)ASIC電源狀態(tài)良好信號，它將等待100毫秒，然后繼續(xù)為FPGA供電。需要一個基于事件的時序控制器來生成這個復(fù)雜的時序。在具有多個時序控制器的系統(tǒng)中，需要將一個設(shè)備上的事件信息與板上的其他設(shè)備共享，使它們行動一致，這一點非常重要。

電壓監(jiān)控器OV和UV比較器、數(shù)字信號（如GPIO和PDIO）、定時器、變量，以及來自IDB的消息，所有這些都會饋送給功能豐富的ADM1266時序引擎，從而觸發(fā)事件。用戶可以輕松創(chuàng)建復(fù)雜的狀態(tài)機(jī)，用以監(jiān)測各種事件并采取適當(dāng)?shù)牟僮鳌?/p>

圖1.可以通過IDB將多個ADM1266組合在一起，輕松擴(kuò)展時序。

加快系統(tǒng)設(shè)計

傳統(tǒng)上，使用單個時序控制器設(shè)計上電時序系統(tǒng)的用戶體驗與設(shè)計需要使用多個時序控制器的系統(tǒng)時的體驗有很大的不同。也就是說，用單個時序控制器控制16個電壓的設(shè)計通常很簡單：設(shè)計人員可以使用軟件圖形用戶界面(GUI)來配置每個電壓軌及其時序。其過程通常是針對16個電壓軌重復(fù)進(jìn)行手動選擇/設(shè)置操作?，F(xiàn)在想象一下采用5個時序控制器和80條電壓軌的設(shè)計。使用GUI手動配置80條電壓軌不但耗時，且很容易出錯。設(shè)計人員還必須確定如何以最佳方式級聯(lián)多個設(shè)備，以及將5個時序控制器的資源分配給80個電壓軌。大多數(shù)軟件輔助設(shè)計工具實際上并不能提供任何幫助。用戶必須理解時序控制器IC的特定功能，并通過GUI發(fā)布明確指令，每個項目都需要迅速學(xué)習(xí)大量內(nèi)容。

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(diào)試，不只是配置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，可以幫助設(shè)計人員實現(xiàn)穩(wěn)健的時序。相比傳統(tǒng)GUI，它讓設(shè)計人員能夠以更高水平處理電源系統(tǒng)。例如，內(nèi)置向?qū)軌驇椭O(shè)計人員在幾分鐘內(nèi)設(shè)置和配置80條電壓軌，如果手動操作，完成這項任務(wù)需要幾個小時。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，這可以大幅

圖3.一步配置整個系統(tǒng)。無論電壓軌數(shù)量是多少，系統(tǒng)電壓軌向?qū)ㄟ^相同界面，引導(dǎo)設(shè)計人員完成整個序列配置過程。注意，用戶自定義的電壓軌名稱有助于迅速輕松識別各電壓軌。

設(shè)計人員首先要創(chuàng)建一個虛擬狀態(tài)機(jī)來滿足系統(tǒng)的要求。在單個時序控制器設(shè)計中（≤17條電壓軌），GUI的虛擬狀態(tài)機(jī)與時序控制器的狀態(tài)機(jī)相匹配。隨著添加更多時序控制器，虛擬狀態(tài)機(jī)與單個時序控制器狀態(tài)機(jī)之間出現(xiàn)差異，在設(shè)備彼此之間就各種事件通信時，需要在狀態(tài)機(jī)中采取額外步驟。

例如，設(shè)計人員在時序控制器1上監(jiān)測兩條電壓軌，在時序控制器2上也監(jiān)測兩條電壓軌。該設(shè)計要求，如果這四條電壓軌中的任何一條出現(xiàn)故障，那么所有一切都將關(guān)閉。實際上，因為這里有兩個設(shè)備，它們之間必須共享故障信號。系統(tǒng)的虛擬狀態(tài)機(jī)和各個設(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)。

隨著電壓軌數(shù)量增加，定序需求變得愈加復(fù)雜，系統(tǒng)級虛擬狀態(tài)機(jī)和設(shè)備級狀態(tài)機(jī)的差異也越來越大。設(shè)計人員知道自己的設(shè)計目標(biāo)，但必須通過時序控制器協(xié)同工作來實現(xiàn)，這個過程不但耗時，且通常漏洞很多。ADI Power Studio讓大部分狀態(tài)機(jī)創(chuàng)建流程實現(xiàn)了自動化。用戶使用GUI來設(shè)計虛擬狀態(tài)機(jī)，而ADI Power Studio則通過編譯器來處理各種時序控制器之間的復(fù)雜通信。這讓設(shè)計人員能夠通過靈活、直觀的流程創(chuàng)建復(fù)雜的狀態(tài)機(jī)。

功能強(qiáng)大的調(diào)試工具

在開發(fā)任何復(fù)雜系統(tǒng)的過程中，難免會出現(xiàn)漏洞。理想情況下，大多數(shù)漏洞出現(xiàn)后，都會在開發(fā)過程中根除，但有些漏洞會悄無聲息地進(jìn)入生產(chǎn)環(huán)節(jié)。無論哪種情況，系統(tǒng)設(shè)計人員擁有合適的工具，能夠快速識別故障并更改解決，這一點至關(guān)重要，通常設(shè)計人員用于調(diào)試的時間遠(yuǎn)超純設(shè)計時間。典型的故障包括電壓軌故障和信號的邏輯電平錯誤。

現(xiàn)在，我們繼續(xù)以具有80條電壓軌的電路板為例，在電路板設(shè)計過程中，其中一條電壓軌出現(xiàn)故障的情況很常見。故障可能是組件級或配置級設(shè)計缺陷導(dǎo)致的。無論如何，要找出問題的起因，首先還是要找出導(dǎo)致故障的電壓軌。問題是，在典型時序中，如果任意一個電壓軌發(fā)生故障，那么時序控制器會關(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(shè)計階段卻會妨礙調(diào)試，因為這種個別故障會隱藏在整個系統(tǒng)的故障之中。使設(shè)計人員一葉障目。設(shè)計人員不太可能同時監(jiān)測所有80條電壓軌，因此幾乎不可能在電壓軌出現(xiàn)故障時第一時間找出它。

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

ADI Power Studio和ADM1266配有軟件設(shè)計環(huán)境中常見的高級調(diào)試工具，可以簡化調(diào)試過程。第一個調(diào)試工具以斷點的形式出現(xiàn)，在特定狀態(tài)下，時序會停止前進(jìn)。在采用多個ADM1266器件的系統(tǒng)中，所有ADM1266器件都將通過狀態(tài)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，在到達(dá)包含用戶定義的斷點的狀態(tài)時停止。這種時序暫停讓設(shè)計人員能夠調(diào)試出現(xiàn)故障的電壓軌，或者確認(rèn)信號的邏輯電平錯誤的原因。

設(shè)計人員還可以對所有狀態(tài)應(yīng)用斷點，以便逐步檢查整個時序。單步執(zhí)行應(yīng)用方法用于在啟用電壓軌之前，檢查它們的預(yù)偏置啟動狀況。設(shè)計人員可以采用單步方式檢查整個上電時序，查看任何可能被禁用的電壓軌輸出端是否有電壓—這會顯示在ADI power Studio的監(jiān)視器窗口部分。圖5顯示用戶自定義的斷點示例。

圖5.斷點讓設(shè)計人員能夠在任何狀態(tài)下暫停時序，以深化調(diào)試。

另一個調(diào)試工具是黑盒記錄功能，其中，ADM1266會在黑盒被關(guān)鍵事件觸發(fā)時捕獲所有電壓監(jiān)測和數(shù)字引腳的狀態(tài)快照。一旦黑盒被觸發(fā)，它會記錄諸如事件發(fā)生時的狀態(tài)、之前的良好狀態(tài)、事件發(fā)生的時間、部件上電的次數(shù)和出現(xiàn)故障的次數(shù)等信息。這有助于設(shè)計人員查明故障并快速診斷原因。

在生產(chǎn)應(yīng)用中，黑盒特性在捕獲故障狀況、協(xié)助維護(hù)和升級方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。它也可以用作開發(fā)過程中的調(diào)試工具。例如，在設(shè)計要經(jīng)受熱室測試或機(jī)械測試時，是不可能使用臺式實驗室設(shè)備進(jìn)行探測的，但黑盒可以記錄故障，以供后續(xù)查看。圖6所示為黑盒記錄的屏幕截圖。

圖6.黑盒狀態(tài)監(jiān)測會獲取用戶定義事件的狀況快照。黑盒觸發(fā)器可以應(yīng)用于生產(chǎn)系統(tǒng)，幫助排除現(xiàn)場故障，以及進(jìn)行維護(hù)和調(diào)試。

結(jié)論

為了應(yīng)對日益復(fù)雜的上電時序需求，解決方案必須可以擴(kuò)展、功能豐富且直觀易用。ADI Power Studio和ADM1266 17通道時序控制器滿足這些條件，采用先進(jìn)的設(shè)計和調(diào)試工具來縮短開發(fā)和調(diào)試時間。這讓設(shè)計人員能夠?qū)⒏鄷r間用于創(chuàng)新和構(gòu)建穩(wěn)健的解決方案。

作者簡介

Navdeep已在ADI公司工作14年，在此期間他一直參與數(shù)字電源和Super Sequencer?超級時序控制器等突破性產(chǎn)品開發(fā)工作。他曾擔(dān)任直觀數(shù)字電源圖形用戶界面的架構(gòu)師，最近擔(dān)任ADM1266超級時序控制器的架構(gòu)師，負(fù)責(zé)固件、軟件和硬件開發(fā)。他擁有三項專利，持有圣何塞州立大學(xué)的電氣工程碩士學(xué)位。