具有突破性、可擴展、直觀易用的上電時序系統可加快設計和調試速度

發布時間:2019年12月30日 11:12    發布者:eechina
關鍵詞: 上電 , 電壓軌 , ADM1266
Breakthrough, Scalable, Intuitive Power Sequencing System Accelerates Design and Debug

作者:Navdeep Singh Dhanjal,ADI公司

簡介

各行各業的電子系統都變得越來越復雜,這已經不是什么秘密。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性化的電壓軌容差。同樣,正確的電源開啟和關斷時序也很重要。隨著時間推移,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聯。電源設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200個電壓軌。時序控制器設備最多需要約16個電壓軌,設計時很容易達到這個數量。一旦電壓軌數量超過單個時序控制器支持的數量,復雜度會急劇上升,要求設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雜系統。

通常,在高電壓軌數系統中級聯多個時序控制器并不容易實現。在級聯系統中,隨著電壓軌數量線性增加,復雜度呈指數增長。設計人員可采用一些創新的方法實現時序控制器級聯,以簡化設計,比如采用乒乓機制,或者通過專用的數字信號共享故障和電源良好狀態。雖然這些解決方案足以應付相對簡單的時序,但對于復雜的上電/關斷時序,這些解決方案顯然力不從心。
ADM1266具備真正的可擴展性,可以解決復雜性問題。它是ADI Super Sequencer®超級時序控制器系列中的最新產品。連接多個ADM1266設備時,需要使用專用的雙線器件間總線(IDB)進行通信。每個ADM1266均可監測和控制17條電壓軌的時序,只要所有這些設備都連接至同一個IDB,可并聯多達16個ADM1266設備,以監測和控制257條電壓軌的時序。

ADM1266使用一個主設備,其他的ADM1266設備則充當從設備。這些設備采用并行架構,其中每個連接到IDB的單個ADM1266根據系統狀況轉換到相同的下一個狀態,確?偩上的每個ADM1266同步?偩通信是透明的,因此設計人員為單個ADM1266設備和為16個ADM1266設備創建時序的感覺是一樣的。該系統的一個明顯優勢,就是設計人員只需要學習如何使用一個設備完成簡單和復雜的設計,無需針對每個不同設備多次學習。級聯多個設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

現代時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。時序控制器監控子卡的信號檢測:當該信號存在時,時序控制器會調出子卡上的電壓軌;當信號不存在時,時序控制器繼續執行主板時序控制程序,在電源達到良好狀態時結束。大多數傳統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出ASIC電源,然后等待來自ASIC的數字電源狀態良好信號。一旦確認ASIC電源狀態良好信號,它將等待100毫秒,然后繼續為FPGA供電。需要一個基于事件的時序控制器來生成這個復雜的時序。在具有多個時序控制器的系統中,需要將一個設備上的事件信息與板上的其他設備共享,使它們行動一致,這一點非常重要。

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,從而觸發事件。用戶可以輕松創建復雜的狀態機,用以監測各種事件并采取適當的操作。

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圖1.可以通過IDB將多個ADM1266組合在一起,輕松擴展時序。

加快系統設計

傳統上,使用單個時序控制器設計上電時序系統的用戶體驗與設計需要使用多個時序控制器的系統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個電壓的設計通常很簡單:設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個電壓軌重復進行手動選擇/設置操作,F在想象一下采用5個時序控制器和80條電壓軌的設計。使用GUI手動配置80條電壓軌不但耗時,且很容易出錯。設計人員還必須確定如何以最佳方式級聯多個設備,以及將5個時序控制器的資源分配給80個電壓軌。大多數軟件輔助設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發布明確指令,每個項目都需要迅速學習大量內容。

ADM1266采用了一種不同的方法。它使用基于PC的ADI Power Studio™ 進行配置和調試,不只是配置ADM1266的各種設置。ADI Power Studio是一款完整的開發和調試工具,可以幫助設計人員實現穩健的時序。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,如果手動操作,完成這項任務需要幾個小時。圖2和圖3所示為一些界面示例。

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圖2.ADI Power Studio可自定義電壓軌名稱,這可以大幅

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圖3.一步配置整個系統。無論電壓軌數量是多少,系統電壓軌向導通過相同界面,引導設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。

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

例如,設計人員在時序控制器1上監測兩條電壓軌,在時序控制器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閉。實際上,因為這里有兩個設備,它們之間必須共享故障信號。系統的虛擬狀態機和各個設備的狀態機如圖4所示。

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圖4.虛擬狀態機與設備級狀態機。

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

功能強大的調試工具

在開發任何復雜系統的過程中,難免會出現漏洞。理想情況下,大多數漏洞出現后,都會在開發過程中根除,但有些漏洞會悄無聲息地進入生產環節。無論哪種情況,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,這一點至關重要,通常設計人員用于調試的時間遠超純設計時間。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,在電路板設計過程中,其中一條電壓軌出現故障的情況很常見。故障可能是組件級或配置級設計缺陷導致的。無論如何,要找出問題的起因,首先還是要找出導致故障的電壓軌。問題是,在典型時序中,如果任意一個電壓軌發生故障,那么時序控制器會關閉所有電壓軌。這種關斷行為,雖然對于量產級產品很可靠,但在設計階段卻會妨礙調試,因為這種個別故障會隱藏在整個系統的故障之中。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第一時間找出它。

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

ADI Power Studio和ADM1266配有軟件設計環境中常見的高級調試工具,可以簡化調試過程。第一個調試工具以斷點的形式出現,在特定狀態下,時序會停止前進。在采用多個ADM1266器件的系統中,所有ADM1266器件都將通過狀態機進行轉換,在到達包含用戶定義的斷點的狀態時停止。這種時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應用斷點,以便逐步檢查整個時序。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狀況。設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的監視器窗口部分。圖5顯示用戶自定義的斷點示例。

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圖5.斷點讓設計人員能夠在任何狀態下暫停時序,以深化調試。

另一個調試工具是黑盒記錄功能,其中,ADM1266會在黑盒被關鍵事件觸發時捕獲所有電壓監測和數字引腳的狀態快照。一旦黑盒被觸發,它會記錄諸如事件發生時的狀態、之前的良好狀態、事件發生的時間、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。

在生產應用中,黑盒特性在捕獲故障狀況、協助維護和升級方面發揮著關鍵作用。它也可以用作開發過程中的調試工具。例如,在設計要經受熱室測試或機械測試時,是不可能使用臺式實驗室設備進行探測的,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。

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圖6.黑盒狀態監測會獲取用戶定義事件的狀況快照。黑盒觸發器可以應用于生產系統,幫助排除現場故障,以及進行維護和調試。

結論

為了應對日益復雜的上電時序需求,解決方案必須可以擴展、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,采用先進的設計和調試工具來縮短開發和調試時間。這讓設計人員能夠將更多時間用于創新和構建穩健的解決方案。

作者簡介

Navdeep已在ADI公司工作14年,在此期間他一直參與數字電源和Super Sequencer®超級時序控制器等突破性產品開發工作。他曾擔任直觀數字電源圖形用戶界面的架構師,最近擔任ADM1266超級時序控制器的架構師,負責固件、軟件和硬件開發。他擁有三項專利,持有圣何塞州立大學的電氣工程碩士學位。聯系方式:[email protected]。

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