介紹

電子系統(tǒng)在所有行業(yè)都變得越來(lái)越復(fù)雜，這已不是什么秘密。這種復(fù)雜性如何滲透到電源設(shè)計(jì)中的情況不太明顯。例如，功能復(fù)雜性通常通過(guò)使用 ASIC、FPGA 和微處理器來(lái)解決，以在更小的外形尺寸中豐富應(yīng)用程序功能集。這些設(shè)備為電源系統(tǒng)提供了不同的數(shù)字負(fù)載，需要在一定功率水平范圍內(nèi)的各種電壓軌，每個(gè)都具有高度個(gè)性化的軌容差。同樣，電源的正確啟動(dòng)和關(guān)閉順序也很重要。隨著時(shí)間的推移，電路板上電壓軌數(shù)量的倍增使電源系統(tǒng)序列設(shè)計(jì)和調(diào)試變得更加復(fù)雜。

可擴(kuò)展性

應(yīng)用板所需的電壓軌數(shù)量是板復(fù)雜性的函數(shù)。電源設(shè)計(jì)人員可能會(huì)面對(duì)只需要 10 個(gè)電壓軌的電路板，以及需要 200 個(gè)電壓軌的電路板。定序器設(shè)備通常最多有 16 個(gè)導(dǎo)軌，并且設(shè)計(jì)為可以輕松應(yīng)用到該數(shù)量。一旦軌道的數(shù)量超過(guò)單個(gè)定序器所支持的數(shù)量，復(fù)雜性就會(huì)迅速增加，需要設(shè)計(jì)人員了解每個(gè)定序器的變幻莫測(cè)，以及如何將其組合到復(fù)雜的系統(tǒng)中。

通常，多個(gè)定序器級(jí)聯(lián)在高計(jì)數(shù)電壓軌系統(tǒng)中，這是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。在級(jí)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)增長(zhǎng)。設(shè)計(jì)人員采用了創(chuàng)造性的級(jí)聯(lián)定序器方法來(lái)降低復(fù)雜性，例如使用乒乓機(jī)制或通過(guò)專(zhuān)用數(shù)字信號(hào)共享故障和電源良好狀態(tài)。雖然這些解決方案在相對(duì)簡(jiǎn)單的序列中就足夠了，但它們很快在偏離簡(jiǎn)單上電/斷電序列的系統(tǒng)中變得站不住腳。

ADM1266以真正的可擴(kuò)展性解決了復(fù)雜性問(wèn)題。它是 ADI 的 Super Sequencer? 部件系列的最新成員。連接多個(gè) ADM1266 器件需要使用專(zhuān)用的兩線器件間總線 （IDB） 進(jìn)行通信。每個(gè) ADM1266 能夠監(jiān)測(cè)和排序 17 個(gè)電壓軌，并且最多可以并聯(lián) 16 個(gè) ADM1266 器件來(lái)監(jiān)測(cè)和排序 257 個(gè)電壓軌，只要所有器件都連接到同一個(gè) IDB。

ADM1266 使用單個(gè)主器件，附加的 ADM1266 器件充當(dāng)從器件。這些器件使用并行架構(gòu)，其中連接到 IDB 的每個(gè) ADM1266 都會(huì)根據(jù)系統(tǒng)條件轉(zhuǎn)換到相同的下一個(gè)狀態(tài)，從而確保總線上的每個(gè) ADM1266 保持同步。總線通信是透明的，因此設(shè)計(jì)人員在為單個(gè) ADM1266 創(chuàng)建序列時(shí)的經(jīng)驗(yàn)與為 16 個(gè) ADM1266 器件創(chuàng)建序列的經(jīng)驗(yàn)相同。該系統(tǒng)的一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)是設(shè)計(jì)人員只需學(xué)習(xí)如何使用一個(gè)設(shè)備進(jìn)行簡(jiǎn)單和復(fù)雜的設(shè)計(jì)，消除了不同設(shè)備的多個(gè)學(xué)習(xí)曲線。級(jí)聯(lián)多個(gè)設(shè)備就像將它們連接到同一個(gè) IDB 一樣簡(jiǎn)單，如圖 1 所示。

基于事件的排序

現(xiàn)代定序器不僅必須監(jiān)控電壓軌，還必須對(duì)數(shù)字信號(hào)做出反應(yīng)。傳統(tǒng)的基于時(shí)間的定序器具有固定的信號(hào)，具有專(zhuān)用的結(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(cè)信號(hào)由定序器監(jiān)控：當(dāng)該信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，定序器會(huì)啟動(dòng)子卡上的電壓軌；當(dāng)信號(hào)不存在時(shí)，定序器繼續(xù)主板定序程序，在電源處于良好狀態(tài)下結(jié)束。這種子卡檢測(cè)信號(hào)在大多數(shù)傳統(tǒng)定序器上是不可用的。此外，此類(lèi)要求會(huì)根據(jù)應(yīng)用而變化，并且可以通過(guò)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(tǒng)要求 ASIC 在 FPGA 通電之前完全通電并運(yùn)行。在這種情況下，定序器按順序啟動(dòng) ASIC 電源，然后等待來(lái)自 ASIC 的數(shù)字電源良好信號(hào)。一旦 ASIC 電源良好信號(hào)被斷言，它會(huì)等待 100 ms，然后繼續(xù)為 FPGA 供電。需要一個(gè)基于事件的序列器來(lái)產(chǎn)生這個(gè)復(fù)雜的序列。在具有多個(gè)定序器的系統(tǒng)中，重要的是一個(gè)設(shè)備上的事件信息與板上的其他設(shè)備共享，以便它們一致行動(dòng)。

電壓監(jiān)控器 OV 和 UV 比較器、GPIO 和 PDIO 等數(shù)字信號(hào)、定時(shí)器、變量和來(lái)自 IDB 的消息都輸入到功能豐富的 ADM1266 序列引擎和觸發(fā)事件中。用戶可以輕松創(chuàng)建復(fù)雜的狀態(tài)機(jī)來(lái)監(jiān)控各種事件并采取適當(dāng)?shù)男袆?dòng)。

圖 1. 通過(guò) IDB 將多個(gè) ADM1266 組合起來(lái)，可以輕松擴(kuò)展具有多個(gè) ADM1266 的序列。

加速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)上，使用單個(gè)定序器設(shè)計(jì)電源定序系統(tǒng)的用戶體驗(yàn)與需要多個(gè)定序器的系統(tǒng)大不相同。也就是說(shuō)，具有 16 個(gè)電壓的單個(gè)排序器的設(shè)計(jì)通常很簡(jiǎn)單：設(shè)計(jì)人員使用軟件圖形用戶界面 （GUI） 來(lái)配置每個(gè)電壓軌及其排序。該過(guò)程通常是對(duì) 16 個(gè)導(dǎo)軌重復(fù)的手動(dòng)選擇/設(shè)置過(guò)程。現(xiàn)在想象一個(gè)有 5 個(gè)音序器和 80 個(gè)導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)。使用 GUI 手動(dòng)配置 80 個(gè)導(dǎo)軌既耗時(shí)又容易出現(xiàn)人為錯(cuò)誤。設(shè)計(jì)人員還必須確定如何最好地級(jí)聯(lián)多個(gè)設(shè)備并將五個(gè)排序器的資源分配給 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(méi)有提供幫助。

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(kāi)發(fā)和調(diào)試工具，可幫助設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健的序列。它使設(shè)計(jì)人員能夠在比傳統(tǒng) GUI 更高的層次上處理電源系統(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(dòng)完成這項(xiàng)任務(wù)需要幾個(gè)小時(shí)。圖 2 和圖 3 顯示了該界面的一些示例。

圖 2. ADI Power Studio 具有自定義導(dǎo)軌名稱(chēng)，這可以極大地

圖 3. 整個(gè)系統(tǒng)的一步配置。系統(tǒng)導(dǎo)軌向?qū)б龑?dǎo)設(shè)計(jì)人員完成使用相同界面配置整個(gè)序列的過(guò)程，而不管導(dǎo)軌數(shù)量如何。請(qǐng)注意用戶定義的自定義導(dǎo)軌名稱(chēng)，以便更容易識(shí)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(lái)滿足系統(tǒng)的要求。在單定序器設(shè)計(jì)（≤17 軌）中，GUI 的虛擬狀態(tài)機(jī)僅與定序器的狀態(tài)機(jī)匹配。隨著更多定序器的添加，虛擬狀態(tài)機(jī)會(huì)偏離單個(gè)定序器狀態(tài)機(jī)，當(dāng)設(shè)備相互通信各種事件時(shí)，狀態(tài)機(jī)中需要額外的步驟。

例如，設(shè)計(jì)人員監(jiān)控定序器 1 上的兩個(gè)電壓軌和定序器 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，則所有設(shè)備都將關(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一個(gè)故障信號(hào)。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(jí)狀態(tài)機(jī)。

隨著軌的數(shù)量和排序要求變得越來(lái)越復(fù)雜，系統(tǒng)的虛擬狀態(tài)機(jī)和設(shè)備級(jí)別的狀態(tài)機(jī)越來(lái)越偏離。設(shè)計(jì)師知道他或她想要發(fā)生什么，但必須讓測(cè)序儀協(xié)同工作以實(shí)現(xiàn)它，這是一個(gè)耗時(shí)且通常有問(wèn)題的過(guò)程。ADI Power Studio 自動(dòng)化了大部分狀態(tài)機(jī)創(chuàng)建過(guò)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定序器之間通信的復(fù)雜性。這使設(shè)計(jì)人員能夠使用靈活、直觀的過(guò)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(kāi)發(fā)過(guò)程中自然會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。理想情況下，大多數(shù)錯(cuò)誤都會(huì)在開(kāi)發(fā)過(guò)程中出現(xiàn)并被根除，但有些錯(cuò)誤會(huì)潛入生產(chǎn)環(huán)境。無(wú)論哪種方式，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員都必須擁有能夠快速識(shí)別故障并進(jìn)行更改以解決它們的工具，因?yàn)榕c純?cè)O(shè)計(jì)相比，設(shè)計(jì)人員通常花費(fèi)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(hào)。

讓我們繼續(xù)舉出具有 80 個(gè)電壓軌的電路板的示例，其中一個(gè)電壓軌在設(shè)計(jì)階段出現(xiàn)故障的情況并不少見(jiàn)。失敗可能是組件級(jí)別或配置級(jí)別的設(shè)計(jì)缺陷。無(wú)論哪種方式，識(shí)別問(wèn)題始于識(shí)別麻煩的軌道。問(wèn)題在于，在典型的序列中，如果任何電壓軌發(fā)生故障，那么定序器會(huì)關(guān)閉所有電壓軌。這種關(guān)閉行為雖然在生產(chǎn)級(jí)產(chǎn)品中很強(qiáng)大，但在設(shè)計(jì)階段會(huì)妨礙調(diào)試，因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)的故障會(huì)隱藏故障。設(shè)計(jì)師看不到森林的樹(shù)。設(shè)計(jì)人員不太可能同時(shí)在臺(tái)式機(jī)上監(jiān)控所有 80 條導(dǎo)軌，因此幾乎不可能在出現(xiàn)故障時(shí)識(shí)別有罪的導(dǎo)軌。

在理想的調(diào)試系統(tǒng)中，一旦識(shí)別出容易發(fā)生故障的電壓軌，其他電壓軌就會(huì)保持供電，以便在系統(tǒng)的其余部分保持活動(dòng)狀態(tài)時(shí)可以觀察到有問(wèn)題的電壓軌的行為。雖然強(qiáng)行修改序列配置可以達(dá)到這個(gè)目的，但是打破序列來(lái)調(diào)試序列充其量是一種繁瑣的做法。

ADI Power Studio 和 ADM1266 具有軟件設(shè)計(jì)環(huán)境中常見(jiàn)的高級(jí)調(diào)試工具，可簡(jiǎn)化調(diào)試過(guò)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)下停止進(jìn)行。在具有多個(gè) ADM1266 器件的系統(tǒng)中，所有 ADM1266 器件都將通過(guò)狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)換并在具有用戶定義斷點(diǎn)的狀態(tài)開(kāi)始處停止。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(hào)為何不在其正確的邏輯電平上。

設(shè)計(jì)人員還可以通過(guò)對(duì)所有狀態(tài)應(yīng)用斷點(diǎn)來(lái)逐步執(zhí)行序列。單步的一種應(yīng)用是在啟用前檢查電壓軌的預(yù)偏置啟動(dòng)。設(shè)計(jì)人員可以單步執(zhí)行電源序列，以查看任何可能禁用的電源軌在其輸出端是否有電壓——顯示在 ADI Power Studio 的監(jiān)視器窗口部分。圖 5 顯示了用戶定義斷點(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(huì)拍攝所有電壓監(jiān)控和數(shù)字引腳狀態(tài)的快照。黑盒一旦被觸發(fā)，它就會(huì)記錄事件發(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、部件上電和出現(xiàn)故障的次數(shù)等信息。這有助于設(shè)計(jì)人員準(zhǔn)確定位故障并快速診斷原因。

黑盒功能在捕獲生產(chǎn)應(yīng)用程序中的故障條件、協(xié)助維護(hù)和升級(jí)方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。它也可以用作開(kāi)發(fā)中的調(diào)試工具。例如，當(dāng)設(shè)計(jì)面臨熱室測(cè)試或機(jī)械測(cè)試時(shí)，可能無(wú)法使用臺(tái)式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備進(jìn)行探測(cè)，而黑盒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. Blackbox 狀態(tài)監(jiān)控在用戶定義的事件中獲取條件快照。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(chǎng)故障排除和維護(hù)以及調(diào)試。

結(jié)論

為了滿足日益復(fù)雜的電源排序要求，解決方案必須具有可擴(kuò)展性、功能豐富且直觀。ADI Power Studio 和 ADM1266 17 通道定序器通過(guò)高級(jí)設(shè)計(jì)和調(diào)試工具滿足這些條件，從而縮短了開(kāi)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