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Breakthrough, Scalable, Intuitive Power Sequencing System Accelerates Design and Debug 作者：Navdeep Singh Dhanjal，ADI公司 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(jì)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(gè)性化的電壓軌容差。同樣，正確的電源開啟和關(guān)斷時(shí)序也很重要。隨著時(shí)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(shí)序設(shè)計(jì)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(jì)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(dá)200個(gè)電壓軌。時(shí)序控制器設(shè)備最多需要約16個(gè)電壓軌，設(shè)計(jì)時(shí)很容易達(dá)到這個(gè)數(shù)量。一旦電壓軌數(shù)量超過單個(gè)時(shí)序控制器支持的數(shù)量，復(fù)雜度會(huì)急劇上升，要求設(shè)計(jì)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(fù)雜系統(tǒng)。 通常，在高電壓軌數(shù)系統(tǒng)中級聯(lián)多個(gè)時(shí)序控制器并不容易實(shí)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(jì)人員可采用一些創(chuàng)新的方法實(shí)現(xiàn)時(shí)序控制器級聯(lián)，以簡化設(shè)計(jì)，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(shí)序，但對于復(fù)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(kuò)展性，可以解決復(fù)雜性問題。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(shè)備時(shí)，需要使用專用的雙線器件間總線(IDB)進(jìn)行通信。每個(gè)ADM1266均可監(jiān)測和控制17條電壓軌的時(shí)序，只要所有這些設(shè)備都連接至同一個(gè)IDB，可并聯(lián)多達(dá)16個(gè)ADM1266設(shè)備，以監(jiān)測和控制257條電壓軌的時(shí)序。 ADM1266使用一個(gè)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(gè)連接到IDB的單個(gè)ADM1266根據(jù)系統(tǒng)狀況轉(zhuǎn)換到相同的下一個(gè)狀態(tài)，確保總線上的每個(gè)ADM1266同步。總線通信是透明的，因此設(shè)計(jì)人員為單個(gè)ADM1266設(shè)備和為16個(gè)ADM1266設(shè)備創(chuàng)建時(shí)序的感覺是一樣的。該系統(tǒng)的一個(gè)明顯優(yōu)勢，就是設(shè)計(jì)人員只需要學(xué)習(xí)如何使用一個(gè)設(shè)備完成簡單和復(fù)雜的設(shè)計(jì)，無需針對每個(gè)不同設(shè)備多次學(xué)習(xí)。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。 基于事件的定序方案 現(xiàn)代時(shí)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(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(jiān)控子卡的信號檢測：當(dāng)該信號存在時(shí)，時(shí)序控制器會(huì)調(diào)出子卡上的電壓軌；當(dāng)信號不存在時(shí)，時(shí)序控制器繼續(xù)執(zhí)行主板時(shí)序控制程序，在電源達(dá)到良好狀態(tài)時(shí)結(jié)束。大多數(shù)傳統(tǒng)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(yīng)用而變化，可以使用通用輸入輸出引腳(GPIO)來解決。 另一個(gè)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(yùn)行。在這種情況下，時(shí)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(gè)基于事件的時(shí)序控制器來生成這個(gè)復(fù)雜的時(shí)序。在具有多個(gè)時(shí)序控制器的系統(tǒng)中，需要將一個(gè)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(dòng)一致，這一點(diǎn)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(shí)器、變量，以及來自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?br /> 
圖1.可以通過IDB將多個(gè)ADM1266組合在一起，輕松擴(kuò)展時(shí)序。 加快系統(tǒng)設(shè)計(jì) 傳統(tǒng)上，使用單個(gè)時(shí)序控制器設(shè)計(jì)上電時(shí)序系統(tǒng)的用戶體驗(yàn)與設(shè)計(jì)需要使用多個(gè)時(shí)序控制器的系統(tǒng)時(shí)的體驗(yàn)有很大的不同。也就是說，用單個(gè)時(shí)序控制器控制16個(gè)電壓的設(shè)計(jì)通常很簡單：設(shè)計(jì)人員可以使用軟件圖形用戶界面(GUI)來配置每個(gè)電壓軌及其時(shí)序。其過程通常是針對16個(gè)電壓軌重復(fù)進(jìn)行手動(dòng)選擇/設(shè)置操作。現(xiàn)在想象一下采用5個(gè)時(shí)序控制器和80條電壓軌的設(shè)計(jì)。使用GUI手動(dòng)配置80條電壓軌不但耗時(shí)，且很容易出錯(cuò)。設(shè)計(jì)人員還必須確定如何以最佳方式級聯(lián)多個(gè)設(shè)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(shù)軟件輔助設(shè)計(jì)工具實(shí)際上并不能提供任何幫助。用戶必須理解時(shí)序控制器IC的特定功能，并通過GUI發(fā)布明確指令，每個(gè)項(xiàng)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(jì)人員實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健的時(shí)序。相比傳統(tǒng)GUI，它讓設(shè)計(jì)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(jì)人員在幾分鐘內(nèi)設(shè)置和配置80條電壓軌，如果手動(dòng)操作，完成這項(xiàng)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，這可以大幅
圖3.一步配置整個(gè)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(jì)人員完成整個(gè)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(jì)人員首先要?jiǎng)?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)時(shí)序控制器設(shè)計(jì)中（≤17條電壓軌），GUI的虛擬狀態(tài)機(jī)與時(shí)序控制器的狀態(tài)機(jī)相匹配。隨著添加更多時(shí)序控制器，虛擬狀態(tài)機(jī)與單個(gè)時(shí)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(shí)，需要在狀態(tài)機(jī)中采取額外步驟。 例如，設(shè)計(jì)人員在時(shí)序控制器1上監(jiān)測兩條電壓軌，在時(shí)序控制器2上也監(jiān)測兩條電壓軌。該設(shè)計(jì)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(shí)際上，因?yàn)檫@里有兩個(gè)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(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(jì)人員知道自己的設(shè)計(jì)目標(biāo)，但必須通過時(shí)序控制器協(xié)同工作來實(shí)現(xiàn)，這個(gè)過程不但耗時(shí)，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(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。用戶使用GUI來設(shè)計(jì)虛擬狀態(tài)機(jī)，而ADI Power Studio則通過編譯器來處理各種時(shí)序控制器之間的復(fù)雜通信。這讓設(shè)計(jì)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(huì)出現(xiàn)漏洞。理想情況下，大多數(shù)漏洞出現(xiàn)后，都會(huì)在開發(fā)過程中根除，但有些漏洞會(huì)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(jì)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(shè)計(jì)人員用于調(diào)試的時(shí)間遠(yuǎn)超純設(shè)計(jì)時(shí)間。典型的故障包括電壓軌故障和信號的邏輯電平錯(cuò)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(jì)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(jì)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(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(shè)計(jì)階段卻會(huì)妨礙調(diào)試，因?yàn)檫@種個(gè)別故障會(huì)隱藏在整個(gè)系統(tǒng)的故障之中。使設(shè)計(jì)人員一葉障目。設(shè)計(jì)人員不太可能同時(shí)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(shí)第一時(shí)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(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(tǒng)的余下部分可以保持正常運(yùn)行。雖然強(qiáng)制修改時(shí)序配置可以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，但以打破時(shí)序的方式來調(diào)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(shè)計(jì)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(gè)調(diào)試工具以斷點(diǎn)的形式出現(xiàn)，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(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(diǎn)的狀態(tài)時(shí)停止。這種時(shí)序暫停讓設(shè)計(jì)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(cuò)誤的原因。 設(shè)計(jì)人員還可以對所有狀態(tài)應(yīng)用斷點(diǎn)，以便逐步檢查整個(gè)時(shí)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(dòng)狀況。設(shè)計(jì)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ADI power Studio的監(jiān)視器窗口部分。圖5顯示用戶自定義的斷點(diǎn)示例。
圖5.斷點(diǎn)讓設(shè)計(jì)人員能夠在任何狀態(tài)下暫停時(shí)序，以深化調(diào)試。 另一個(gè)調(diào)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(jiān)測和數(shù)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(shù)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。 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(jì)要經(jīng)受熱室測試或機(jī)械測試時(shí)，是不可能使用臺(tái)式實(shí)驗(yàn)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(huì)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(shí)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(shí)序控制器滿足這些條件，采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)和調(diào)試工具來縮短開發(fā)和調(diào)試時(shí)間。這讓設(shè)計(jì)人員能夠?qū)⒏鄷r(shí)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(shí)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(shí)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(xiàng)專利，持有圣何塞州立大學(xué)的電氣工程碩士學(xué)位。聯(lián)系方式：navdeep.dhanjal@analog.com。 |
