下一代PCI底板的獨(dú)特電源管理要求

速度要求

我們之所以需要速度更快的總線，原因有很多：更快的處理器、更快及容量更大的磁盤驅(qū)動(dòng)器以及由這些驅(qū)動(dòng)器所組成的磁盤陣列、更快的顯示適配器、更快的以太網(wǎng)與光纖數(shù)據(jù)通信以及更快的存儲器陣列等。

現(xiàn)代IC處理可產(chǎn)生比以往任何時(shí)候都要快的邏輯，但更快的邏輯還不足以形成更快的總線?？偩€架構(gòu)師必須處理總線電容，由不同走線長度所導(dǎo)致的信號偏移，不可預(yù)測的總線負(fù)載以及系統(tǒng)總?cè)莶畹?。此外，總線速度增加還會導(dǎo)致電壓擺幅減小，所有這一切都與總線收發(fā)器電源（稱為I/O電源或VIO）密切相關(guān)。要想從現(xiàn)代總線上獲得最佳性能，就必須仔細(xì)設(shè)計(jì)這種電源。

PCI總線的最大長處是允許向后兼容。PCI特別興趣組 (SIG) 提出以下建議，即：允許新板與舊板共用同一插槽。傳統(tǒng)PCI板與PCI-X 1.0（亦稱為模式-1）板要求使用3.3V VIO，而PCI-X 2.0 266MHz 及 533MHz（亦稱為模式-2）板則要求使用1.5V VIO。如果將3.3V運(yùn)用于模式-2板，則該板肯定會損壞。而如果將1.5V運(yùn)用于傳統(tǒng)PCI或模式-1板，則該板將沒有足夠的驅(qū)動(dòng)以在總線上產(chǎn)生邏輯“1”信號。

最初的PCI標(biāo)準(zhǔn)允許5V及3.3V卡通過在卡邊緣連接器上使用特殊切斷與按鍵來共處。但切斷與按鍵解決方案不能提供向后兼容性。相反，PCI-X 2.0則采用從現(xiàn)代高性能微處理器上假借來的技術(shù)，即：邏輯可選電壓。

PCI系統(tǒng)通過用系統(tǒng)板上的A/D轉(zhuǎn)換器測量適配卡連接器PCIXCAP的PCI-X終端上的電壓來決定適配卡的速度，傳統(tǒng)PCI卡將PCIXCAP接地，因此這樣可以通知插槽控制器將總線速度限制在33MHz上。PCI-X 66MHz卡在PCIXCAP上有一個(gè)10K 的下拉電阻，使PCI-X在66MHz速度上工作。PCI-X 133MHz卡使PCIXCAP處于浮動(dòng)狀態(tài)，故可在133MHz速度上工作。

該技術(shù)的另一優(yōu)勢是可通過一條共用PCIXCAP線上的電壓來對整個(gè)總線進(jìn)行編程。如果插入到總線上的任何卡使PCIXCAP接地，則整個(gè)總線速度將降至33MHz。如果PCIXCAP浮動(dòng)為高，則所有插入的卡均必須為PCI-X 133MHz卡，從而能在133MHz速度上工作。如果其中一或兩個(gè)卡使用10K 電阻下拉PCIXCAP，則PCIXCAP上的電壓將低于其浮動(dòng)時(shí)的電壓，但仍會高于接地時(shí)的電壓，此時(shí)總線會在PCI-X 66MHz上工作。

PCI-X 2.0通過定義兩個(gè)新的下拉電阻而擴(kuò)展了這種技術(shù)：3.16K 電阻用于支持PCI-X 266MHz，1.02K 電阻用于支持PCI-X 533MHz，總共可支持5種不同工作速度。根據(jù)來自PCIXCAP A/D轉(zhuǎn)換器的信息，系統(tǒng)可確定總線速度和VIO。

實(shí)現(xiàn)266MHz 64位插槽還有其他一些挑戰(zhàn)。橋技術(shù)具有足夠快的速度，因此一個(gè)橋最多可支持6個(gè)32位66MHz PCI插槽。對于64位133MHz PCI-X 1.0總線而言，一個(gè)橋只能處理兩個(gè)插槽。在266MHz和更高速度情況下，橋和插槽之間的高數(shù)據(jù)速率要求在橋和插槽之間有一個(gè)單獨(dú)和直接的連接。

PCI VIO 規(guī)范

在I/O電源電壓為3.3V或5V且數(shù)據(jù)速率較低的情況下，即使電源電壓有一些變化，低輸出電壓和高輸出電壓也足以滿足TTL電平指標(biāo)。但當(dāng)將VIO設(shè)置為1.5V，并將數(shù)據(jù)速率增加到266MHz或更高速率時(shí)，信號擺幅將會減少且設(shè)置時(shí)間變得更為關(guān)鍵。

用于VIO的不同電源電壓的PCI規(guī)范如表1。

對于PCI-X模式1工作，插槽與橋之間的3.3V VIO匹配要求為 100mV，這意味著橋芯片VIO上的電壓必須處于該插槽的VIO的100mV范圍以內(nèi)。這將允許檢流電阻、單獨(dú)的電源開關(guān)FET與走線上壓降有足夠大的容差。但對于1.5V工作，插槽與橋之間只允許有 15mV的偏差，因此保持插槽VIO和橋VIO之間緊密匹配的唯一可行策略是，插槽與橋采用相同的饋電并使用一根短而粗的導(dǎo)線來連接這兩個(gè)點(diǎn)。

這樣做會帶來許多新的要求。橋芯片必須允許接通或切斷VIO，且允許VIO在3.3V與1.5V之間切換。當(dāng)提供插槽負(fù)載（可達(dá)1.5A）及橋芯片負(fù)載（根據(jù)橋芯片，最大可超過1.5A）時(shí)，電源選擇開關(guān)上的壓降必須小于 75mV。

VIO實(shí)現(xiàn)

一些系統(tǒng)擁有可為模式-2橋和PCI-X插槽提供VIO的1.5V的電源面。在這些系統(tǒng)中，如果遵循以下幾個(gè)特別注意事項(xiàng)，則可采用“開關(guān)連接”：

（1）通過一根寬而短的走線將VIO連線到橋；

（2）為1.5V電源面規(guī)定一個(gè)稍高些的電壓；

（3）采用極低導(dǎo)通電阻電源FET和檢流器件；

（4）在“分塊串行連接”中使用兩個(gè)開關(guān)FET將1.5V電源面連接到橋和插槽，使得當(dāng)關(guān)斷FET時(shí)，無論插槽電壓為0V還是3.3V，都沒有電流可通過FET的體二極管從插槽流至1.5V電源面。

“開關(guān)連接”的一種實(shí)用替代方法是由1.8V電源來為模式-2插槽和橋VIO供電，并使用一個(gè)低壓降線性調(diào)整器將1.8V降低為恰好1.5V。在此可選方法中，可使用成本更低的FET，并且走線更加寬松。這可用一個(gè)低壓差調(diào)整器 (LDO) IC（如UC382-1）或用圖1所示的TPS2342熱插拔電源控制器來實(shí)現(xiàn)。這里，功率FET起到多種作用：電源選擇器、調(diào)整器，并且還可以為熱插拔斷開插槽電源。

圖1是一種基于TPS2342 PCI-X 2.0熱插拔控制器、采用1.8V和3.3V電源的實(shí)用VIO選擇系統(tǒng)。Q2和Q3由一個(gè)放大器驅(qū)動(dòng)，并且當(dāng)總線以模式2工作時(shí)將+1.8V電源下調(diào)至1.5V。

從插槽VIO到集成電路15VIS終端的連接非常重要，且具有電流檢測和電壓調(diào)整檢測雙重功能，因此必須對此連接仔細(xì)地布線。

如果不能容易地得到電壓電源，則可以用一個(gè)可編程開關(guān)調(diào)整器（如PTH05000 VRM，它接受+12V輸入電壓并輸出3.3V或1.5V）或用一個(gè)開關(guān)調(diào)整器IC（如TPS54310 SWIFT“帶集成FET的轉(zhuǎn)換開關(guān)”）來提供VIO。

熱插拔

PCI和PCI-X可以在所有平臺、筆記本電腦、臺式機(jī)、服務(wù)器及工業(yè)系統(tǒng)上使用。筆記本電腦和臺式計(jì)算機(jī)利用PCI作為內(nèi)部數(shù)據(jù)總線，但須靠USB、Firewire、PCMCIA、Cardbus及Expresscard連接至外部設(shè)備上。每種總線都擁有其各自用于電源管理和設(shè)備重連接或“熱切換”的協(xié)議。
也可以將PCI及PCI-X配置成無需關(guān)閉系統(tǒng)即可撤除設(shè)備，即所謂的“熱插拔”。熱插拔對于確保服務(wù)器等高可用性系統(tǒng)在不中斷系統(tǒng)工作的前提下完成服務(wù)至關(guān)重要。PCI熱插拔的完全實(shí)現(xiàn)還包括系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序及相關(guān)硬件。

PCI熱插拔插槽使用與傳統(tǒng)PCI插槽一樣的連接器，并且還包括一個(gè)板互鎖開關(guān)、一個(gè)板服務(wù)請求按鍵標(biāo)準(zhǔn)的板狀態(tài)指示燈。一個(gè)稱為標(biāo)準(zhǔn)熱插拔控制器 (SHPC) 的芯片負(fù)責(zé)管理和控制電路板。SHPC監(jiān)視插槽開關(guān)、控制插槽電源通/斷、啟用或禁用總線切換、將數(shù)據(jù)從斷電的插槽傳輸出去，以及管理插槽指示燈狀態(tài)。一個(gè)稱為熱插拔電源控制器 (HPPC) 的電源管理IC負(fù)責(zé)插槽電源的切換。

HPPC可包含各種電源和模擬功能，如消除和緩沖插槽切換的抖動(dòng)，確定插入板的類型，為插槽選擇合適的VIO，將+12V、+5V、+3.3V、Vaux和 12V電源切換給插槽，驅(qū)動(dòng)插槽總線開關(guān)以及驅(qū)動(dòng)插槽指示燈等。HPPC還為每個(gè)插槽電源提供電流限制，因此可避免有缺陷的插板使底板電源過載或下降。

利用TPS2363熱插拔電源控制器，還可將PCI-Express配置成熱插拔。TPS2363 HPPC能給兩個(gè)插槽切換Vaux、+3.3V和+12V主電源，監(jiān)視兩個(gè)插槽的互鎖狀況與兩個(gè)插槽的服務(wù)請求開關(guān)，并當(dāng)有任何電源軌過載時(shí)通過立即斷開插槽來保持電源的完整性。

實(shí)用問題

現(xiàn)代邏輯電路的開關(guān)時(shí)間可小于500ps，并從電源軌上拽取很高的浪涌電流。實(shí)用限流電路必須能在需要時(shí)提供高電流浪涌，并當(dāng)插槽電流持續(xù)處于危險(xiǎn)電平時(shí)快速切斷插槽。否則，插槽浪涌將可能引起底板電壓跌落而干擾底板上其他器件（設(shè)備）的正常工作。

檢流元件及走線的布局也非常關(guān)鍵。圖2給出了一種將檢流電阻與HPPM連接的較好實(shí)用方法。

圖2是用“開爾文”連接將檢流電阻與檢流電路相連，這樣電路板走線中的高電流不至于引起不希望的額外壓降。本示意圖顯示兩種較好的“開爾文”連接。檢流電路板走線必須平行、間隔很近且長度相等，以抑制來自相鄰高電流走線的磁耦合。檢流電阻必須選擇為具有低串聯(lián)電感，以避免出現(xiàn)虛假電流故障。應(yīng)避免使用含有鈷、鎳或鐵元素的電阻。

此外，可以在IC上提供一個(gè)從3VS到3VIS的陶瓷電容。如果出現(xiàn)虛假限流故障，則可插入該元件，作為一種用于降噪的附加措施。
對于密度最高的電路板布局，可選擇采用（可置于PCI連接器之間的）高密度內(nèi)聯(lián)電源封裝的IC 。例如，TPS2343即采用80引腳TVSOP封裝，其引腳頂端處的寬度小于8.5mm。

未來發(fā)展趨勢

在使用傳統(tǒng)并行總線的同時(shí)，串行總線開始在現(xiàn)代系統(tǒng)中出現(xiàn)。在可預(yù)見的將來，這兩類總線將共存。串行總線由于不受數(shù)據(jù)路徑偏斜的限制，故使走線與連接器設(shè)計(jì)更加靈活。此外，串行總線所需的連接器引腳數(shù)更少，因此能更加緊湊。但電源走線與電源完整性對串行總線來說仍很關(guān)鍵。

在半導(dǎo)體技術(shù)將更多功能集成到更廉價(jià)IC中的同時(shí)，連接器與其他機(jī)械組件卻變得相對昂貴。今天，行業(yè)正處于串行與并行總線的十字路口。PCI-Express的成本目前已能與PCI-X的成本相比擬，且很快還會下降。但直至今日，低成本、向后兼容性以及易實(shí)現(xiàn)性等優(yōu)點(diǎn)，都意味著PCI、PCI-X 1.0及PCI-X 2.0仍將伴隨我們一段相當(dāng)長的時(shí)間。