电源排序系统加速设计和调试

作者：Navdeep

介绍

电子系统在所有行业都变得越来越复杂，这已不是什么秘密。这种复杂性如何渗透到电源设计中的情况不太明显。例如，功能复杂性通常通过使用 ASIC、FPGA 和微处理器来解决，以在更小的外形尺寸中丰富应用程序功能集。这些设备为电源系统提供了不同的数字负载，需要在一定功率水平范围内的各种电压轨，每个都具有高度个性化的轨容差。同样，电源的正确启动和关闭顺序也很重要。随着时间的推移，电路板上电压轨数量的倍增使电源系统序列设计和调试变得更加复杂。

可扩展性

应用板所需的电压轨数量是板复杂性的函数。电源设计人员可能会面对只需要 10 个电压轨的电路板，以及需要 200 个电压轨的电路板。定序器设备通常最多有 16 个导轨，并且设计为可以轻松应用到该数量。一旦轨道的数量超过单个定序器所支持的数量，复杂性就会迅速增加，需要设计人员了解每个定序器的变幻莫测，以及如何将其组合到复杂的系统中。

通常，多个定序器级联在高计数电压轨系统中，这是一项艰巨的任务。在级联系统中，复杂性随着电压轨数量的线性增加呈指数增长。设计人员采用了创造性的级联定序器方法来降低复杂性，例如使用乒乓机制或通过专用数字信号共享故障和电源良好状态。虽然这些解决方案在相对简单的序列中就足够了，但它们很快在偏离简单上电/断电序列的系统中变得站不住脚。

ADM1266以真正的可扩展性解决了复杂性问题。它是 ADI 的 Super Sequencer® 部件系列的最新成员。连接多个 ADM1266 器件需要使用专用的两线器件间总线 （IDB） 进行通信。每个 ADM1266 能够监测和排序 17 个电压轨，并且最多可以并联 16 个 ADM1266 器件来监测和排序 257 个电压轨，只要所有器件都连接到同一个 IDB。

ADM1266 使用单个主器件，附加的 ADM1266 器件充当从器件。这些器件使用并行架构，其中连接到 IDB 的每个 ADM1266 都会根据系统条件转换到相同的下一个状态，从而确保总线上的每个 ADM1266 保持同步。总线通信是透明的，因此设计人员在为单个 ADM1266 创建序列时的经验与为 16 个 ADM1266 器件创建序列的经验相同。该系统的一个显着优势是设计人员只需学习如何使用一个设备进行简单和复杂的设计，消除了不同设备的多个学习曲线。级联多个设备就像将它们连接到同一个 IDB 一样简单，如图 1 所示。

基于事件的排序

现代定序器不仅必须监控电压轨，还必须对数字信号做出反应。传统的基于时间的定序器具有固定的信号，具有专用的结果和有限的功能。

让我们以带有可选子板的主板为例。子卡检测信号由定序器监控：当该信号出现时，定序器会启动子卡上的电压轨；当信号不存在时，定序器继续主板定序程序，在电源处于良好状态下结束。这种子卡检测信号在大多数传统定序器上是不可用的。此外，此类要求会根据应用而变化，并且可以通过通用输入输出引脚（GPIO） 来解决。

另一个示例涉及为 ASIC 和 FPGA 供电，其中系统要求 ASIC 在 FPGA 通电之前完全通电并运行。在这种情况下，定序器按顺序启动 ASIC 电源，然后等待来自 ASIC 的数字电源良好信号。一旦 ASIC 电源良好信号被断言，它会等待 100 ms，然后继续为 FPGA 供电。需要一个基于事件的序列器来产生这个复杂的序列。在具有多个定序器的系统中，重要的是一个设备上的事件信息与板上的其他设备共享，以便它们一致行动。

电压监控器 OV 和 UV 比较器、GPIO 和 PDIO 等数字信号、定时器、变量和来自 IDB 的消息都输入到功能丰富的 ADM1266 序列引擎和触发事件中。用户可以轻松创建复杂的状态机来监控各种事件并采取适当的行动。

图 1. 通过 IDB 将多个 ADM1266 组合起来，可以轻松扩展具有多个 ADM1266 的序列。

加速系统设计

传统上，使用单个定序器设计电源定序系统的用户体验与需要多个定序器的系统大不相同。也就是说，具有 16 个电压的单个排序器的设计通常很简单：设计人员使用软件图形用户界面 （GUI） 来配置每个电压轨及其排序。该过程通常是对 16 个导轨重复的手动选择/设置过程。现在想象一个有 5 个音序器和 80 个导轨的设计。使用 GUI 手动配置 80 个导轨既耗时又容易出现人为错误。设计人员还必须确定如何最好地级联多个设备并将五个排序器的资源分配给 80 个电压轨。大多数软件辅助设计工具实际上并没有提供帮助。

ADM1266 采用不同的方法。它使用基于 PC 的 ADI Power Studio™ 进行配置和调试，其功能远不止配置 ADM1266 的各种设置。ADI Power Studio 是一款完整的开发和调试工具，可帮助设计人员实现稳健的序列。它使设计人员能够在比传统 GUI 更高的层次上处理电源系统。例如，内置向导使设计人员能够在几分钟内设置和配置 80 个电压轨，如果手动完成这项任务需要几个小时。图 2 和图 3 显示了该界面的一些示例。

图 2. ADI Power Studio 具有自定义导轨名称，这可以极大地


图 3. 整个系统的一步配置。系统导轨向导引导设计人员完成使用相同界面配置整个序列的过程，而不管导轨数量如何。请注意用户定义的自定义导轨名称，以便更容易识别单个导轨。

设计人员首先创建一个虚拟状态机来满足系统的要求。在单定序器设计（≤17 轨）中，GUI 的虚拟状态机仅与定序器的状态机匹配。随着更多定序器的添加，虚拟状态机会偏离单个定序器状态机，当设备相互通信各种事件时，状态机中需要额外的步骤。

例如，设计人员监控定序器 1 上的两个电压轨和定序器 2 上的两个电压轨。该设计要求如果四个电压轨中的任何一个出现故障，则所有设备都将关闭。实际上，由于有两个设备，它们必须在它们之间共享一个故障信号。系统的虚拟状态机和各个设备的状态机如图 4 所示。

图 4. 虚拟状态机与设备级状态机。

随着轨的数量和排序要求变得越来越复杂，系统的虚拟状态机和设备级别的状态机越来越偏离。设计师知道他或她想要发生什么，但必须让测序仪协同工作以实现它，这是一个耗时且通常有问题的过程。ADI Power Studio 自动化了大部分状态机创建过程。用户使用 GUI 设计虚拟状态机，而 ADI Power Studio 中的编译器处理各种定序器之间通信的复杂性。这使设计人员能够使用灵活、直观的过程创建复杂的状态机。

强大的调试工具

在任何复杂系统的开发过程中自然会出现错误。理想情况下，大多数错误都会在开发过程中出现并被根除，但有些错误会潜入生产环境。无论哪种方式，系统设计人员都必须拥有能够快速识别故障并进行更改以解决它们的工具，因为与纯设计相比，设计人员通常花费更多的时间进行调试。典型故障包括电压轨故障和逻辑电平错误的信号。

让我们继续举出具有 80 个电压轨的电路板的示例，其中一个电压轨在设计阶段出现故障的情况并不少见。失败可能是组件级别或配置级别的设计缺陷。无论哪种方式，识别问题始于识别麻烦的轨道。问题在于，在典型的序列中，如果任何电压轨发生故障，那么定序器会关闭所有电压轨。这种关闭行为虽然在生产级产品中很强大，但在设计阶段会妨碍调试，因为整个系统的故障会隐藏故障。设计师看不到森林的树。设计人员不太可能同时在台式机上监控所有 80 条导轨，因此几乎不可能在出现故障时识别有罪的导轨。

在理想的调试系统中，一旦识别出容易发生故障的电压轨，其他电压轨就会保持供电，以便在系统的其余部分保持活动状态时可以观察到有问题的电压轨的行为。虽然强行修改序列配置可以达到这个目的，但是打破序列来调试序列充其量是一种繁琐的做法。

ADI Power Studio 和 ADM1266 具有软件设计环境中常见的高级调试工具，可简化调试过程。第一个调试工具以断点的形式出现，其中序列在特定状态下停止进行。在具有多个 ADM1266 器件的系统中，所有 ADM1266 器件都将通过状态机转换并在具有用户定义断点的状态开始处停止。序列中的这种暂停使设计人员能够调试故障电压轨或验证信号为何不在其正确的逻辑电平上。

设计人员还可以通过对所有状态应用断点来逐步执行序列。单步的一种应用是在启用前检查电压轨的预偏置启动。设计人员可以单步执行电源序列，以查看任何可能禁用的电源轨在其输出端是否有电压——显示在 ADI Power Studio 的监视器窗口部分。图 5 显示了用户定义断点的示例。

图 5. 断点使设计人员能够在任何状态下暂停序列以增强调试。

另一个调试工具是黑盒记录功能，当关键事件触发时，ADM1266 会拍摄所有电压监控和数字引脚状态的快照。黑盒一旦被触发，它就会记录事件发生时的状态、之前的良好状态、事件发生的时间、部件上电和出现故障的次数等信息。这有助于设计人员准确定位故障并快速诊断原因。

黑盒功能在捕获生产应用程序中的故障条件、协助维护和升级方面发挥着关键作用。它也可以用作开发中的调试工具。例如，当设计面临热室测试或机械测试时，可能无法使用台式实验室设备进行探测，而黑盒可以捕获故障以供以后审查。图 6 显示了黑盒记录的屏幕截图。

图 6. Blackbox 状态监控在用户定义的事件中获取条件快照。黑盒触发器可以包含在生产系统中，以帮助进行现场故障排除和维护以及调试。

结论

为了满足日益复杂的电源排序要求，解决方案必须具有可扩展性、功能丰富且直观。ADI Power Studio 和 ADM1266 17 通道定序器通过高级设计和调试工具满足这些条件，从而缩短了开发和调试时间。这使设计人员能够将更多时间集中在创新和生产强大的解决方案上。