采用SPI接口的模擬開(kāi)關(guān)提高通道密度

 摘要

設(shè)計(jì)一個(gè)要求高通道密度的系統(tǒng)時(shí)，例如在測(cè)試儀器儀表中，電路板上通常需要包括大量開(kāi)關(guān)。當(dāng)使用并行接口控制的開(kāi)關(guān)時(shí)，控制開(kāi)關(guān)所需的邏輯線路以及用于生成GPIO控制信號(hào)的串行轉(zhuǎn)并行轉(zhuǎn)換器會(huì)占用很大比例的板空間。本文討論旨在解決這種設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)的ADI公司新一代SPI控制開(kāi)關(guān)及其架構(gòu)，以及相對(duì)于并行控制開(kāi)關(guān)，它在提高通道密度上有何優(yōu)勢(shì)。ADI公司創(chuàng)新的多芯片封裝工藝使得新型SPI轉(zhuǎn)并行轉(zhuǎn)換器芯片可以與現(xiàn)有高性能模擬開(kāi)關(guān)芯片結(jié)合在同一封裝中。這樣既可節(jié)省空間，又不會(huì)影響精密開(kāi)關(guān)性能。

測(cè)試設(shè)備中的通道數(shù)最大化至關(guān)重要，因?yàn)橥ǖ涝蕉?，可以并行測(cè)試的器件就越多，進(jìn)而壓縮最終客戶(hù)的測(cè)試時(shí)間和成本。測(cè)試儀通過(guò)開(kāi)關(guān)來(lái)分享其資源以支持多個(gè)被測(cè)器件(DUT)，故開(kāi)關(guān)是增加通道數(shù)的關(guān)鍵元件。但是，并行控制的開(kāi)關(guān)數(shù)量越多，控制線路也就越多，占用的電路板空間相應(yīng)地增加，這嚴(yán)重制約了可以實(shí)現(xiàn)的通道密度。

在此情況下，使用SPI控制的開(kāi)關(guān)在解決方案尺寸和通道數(shù)方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)。SPI開(kāi)關(guān)可以采用菊花鏈形式布置，相比于傳統(tǒng)解決方案，此舉可大幅減少所需的數(shù)字線路數(shù)。

本文將詳細(xì)說(shuō)明通道數(shù)最大化過(guò)程中會(huì)遇到的問(wèn)題，討論用于控制一組開(kāi)關(guān)的傳統(tǒng)方法及其缺點(diǎn)，提出SPI控制的模擬開(kāi)關(guān)解決方案，最后介紹同類(lèi)產(chǎn)品中性能最佳的ADI SPI控制精密開(kāi)關(guān)。

通道數(shù)最大化的常見(jiàn)問(wèn)題

當(dāng)模塊開(kāi)發(fā)的主要目標(biāo)是通道數(shù)最大化時(shí)，板空間就會(huì)變得很珍貴。開(kāi)關(guān)是提高系統(tǒng)通道數(shù)的關(guān)鍵，但隨著開(kāi)關(guān)數(shù)目增加，開(kāi)關(guān)本身、邏輯線路及生成這些邏輯信號(hào)所需的器件會(huì)占用大量板空間，使可用空間減少。最終，受制于控制開(kāi)關(guān)本身所需的相關(guān)因素，只能實(shí)現(xiàn)很有限的通道數(shù)。

Traditional Parallel Switch Solution

傳統(tǒng)并行開(kāi)關(guān)解決方案

提高通道密度的最常見(jiàn)解決方案是使用由并行邏輯信號(hào)控制的開(kāi)關(guān)。這需要大量GPIO信號(hào)，標(biāo)準(zhǔn)微控制器無(wú)法提供如此多的信號(hào)。為了生成GPIO信號(hào)，一種解決辦法是使用串行轉(zhuǎn)并行轉(zhuǎn)換器。這些器件輸出并行信號(hào)，并由I2C和SPI等串行協(xié)議進(jìn)行配置。

圖1中的布局顯示了8個(gè)ADG1412四通道、單刀單擲(SPST)開(kāi)關(guān)，采用4 x 8交叉點(diǎn)配置，位于一個(gè)6層板上。這些開(kāi)關(guān)由兩個(gè)串行轉(zhuǎn)并行轉(zhuǎn)換器控制，串行線路來(lái)自一個(gè)控制板。每個(gè)轉(zhuǎn)換器提供16條GPIO線路，這些線路分布到8個(gè)開(kāi)關(guān)。布局顯示了器件、電源去耦電容和數(shù)字控制信號(hào)(灰色)的占地大小。采用并行控制開(kāi)關(guān)的4 x 8矩陣解決方案的尺寸為35.6 mm x 19 mm，占用面積為676.4 mm2。

圖1.并行控制開(kāi)關(guān)4 x 8矩陣布局

從圖1可以明顯看出，很大比例的面積被串行轉(zhuǎn)并行轉(zhuǎn)換器和數(shù)字控制線路占用，而不是被開(kāi)關(guān)本身占用。對(duì)板空間的這種低效使用是很糟糕的，會(huì)大幅減少模塊中的開(kāi)關(guān)數(shù)目，進(jìn)而影響系統(tǒng)通道數(shù)。

SPI開(kāi)關(guān)解決方案

圖2顯示了一個(gè)4 x 8交叉點(diǎn)配置，8個(gè)四通道SPST開(kāi)關(guān)位于一個(gè)6層板上。不過(guò)，這次開(kāi)關(guān)是SPI控制的ADGS1412器件。像之前一樣，圖中顯示了器件尺寸、電源去耦電容和SDO上拉電阻。

該解決方案展示器件以菊花鏈形式配置。所有器件共享來(lái)自SPI接口的片選和串行時(shí)鐘數(shù)字線路，菊花鏈中的第一個(gè)器件接收串行數(shù)據(jù)。然后，該數(shù)據(jù)被傳送至鏈(像一個(gè)移位寄存器)中的所有器件。這個(gè)示例解決方案的尺寸是30 mm x 18 mm，面積為540 mm2。

以菊花鏈形式使用SPI接口可大大減少串行轉(zhuǎn)并行轉(zhuǎn)換器和數(shù)字線路占用的板空間。采用這種開(kāi)關(guān)配置，總電路板面積可減少20%，這使得通道密度大大提高。系統(tǒng)平臺(tái)也得到了簡(jiǎn)化。當(dāng)電路板上的開(kāi)關(guān)數(shù)目提高時(shí)，節(jié)省的面積隨之增加，包含數(shù)百個(gè)開(kāi)關(guān)的電路板可節(jié)省50%以上的空間。

This demonstrates the ability to fit more switches into a smaller area, which in turn would allow for the large channel count on a fixed area board compared to the traditional serial-to-parallel converter solution.

這說(shuō)明在更小的面積中可以放入更多開(kāi)關(guān)，相比于傳統(tǒng)串行轉(zhuǎn)并行轉(zhuǎn)換器方案，同樣面積的電路板將能支持更多通道。

圖2.菊花鏈開(kāi)關(guān)4 x 8矩陣布局

圖3.SPI開(kāi)關(guān)和并行開(kāi)關(guān)解決方案的面積對(duì)比

ADI SPI開(kāi)關(guān)特性

ADI公司的新型SPI開(kāi)關(guān)系列可用來(lái)實(shí)現(xiàn)更高通道密度，如上例所示。通過(guò)創(chuàng)新的堆疊式雙芯片解決方案(圖4)，ADI公司目前業(yè)界領(lǐng)先的精密開(kāi)關(guān)可以利用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SPI模式0接口進(jìn)行配置。這意味著不僅可以節(jié)省空間，而且不會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能造成不利影響。下面是ADI新型SPI開(kāi)關(guān)的主要功能總結(jié)。

圖4.ADI公司創(chuàng)新堆疊式雙芯片解決方案

菊花鏈模式

如上所述，ADI SPI開(kāi)關(guān)能以菊花鏈模式工作。采用菊花鏈配置的ADGS1412器件連接如圖5所示。所有器件共享和SCLK數(shù)字線路，而器件的SDO與下一器件的SDI形成連接。利用單個(gè)16位SPI幀指令菊花鏈中的所有器件進(jìn)入菊花鏈模式。在菊花鏈模式下，SDO是SDI的8周期延遲版本，故期望的開(kāi)關(guān)配置可以從菊花鏈中的一個(gè)器件傳遞到另一個(gè)器件。

圖5.采用菊花鏈配置的兩個(gè)開(kāi)關(guān)

錯(cuò)誤檢測(cè)功能

當(dāng)器件處于尋址模式或突發(fā)模式時(shí)，可以檢測(cè)SPI接口上的協(xié)議和通信錯(cuò)誤。有三種錯(cuò)誤檢測(cè)方法，分別是SCLK錯(cuò)誤計(jì)數(shù)、無(wú)效讀取和寫(xiě)入地址以及最多3位的CRC錯(cuò)誤檢測(cè)。這些錯(cuò)誤檢測(cè)功能確保數(shù)字接口即使在惡劣環(huán)境下也能可靠工作。

ADI SPI開(kāi)關(guān)系列

ADGS1412是ADI公司正在開(kāi)發(fā)的SPI開(kāi)關(guān)系列中的首款產(chǎn)品。得益于ADI公司開(kāi)發(fā)的創(chuàng)新雙芯片解決方案，ADGS1412不僅具有與并行控制器件ADG1412相同的同類(lèi)最佳的低RON性能，而且具備串行接口帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)。

該系列將以ADI公司的高性能開(kāi)關(guān)為基礎(chǔ)構(gòu)建，提供現(xiàn)有、業(yè)界領(lǐng)先的開(kāi)關(guān)的SPI控制版本。表1列出了ADI新型SPI開(kāi)關(guān)系列當(dāng)前和計(jì)劃發(fā)布的產(chǎn)品。產(chǎn)品型號(hào)代表何種模擬開(kāi)關(guān)芯片與SPI轉(zhuǎn)并行轉(zhuǎn)換器進(jìn)行多芯片封裝，附加的S表示其為SPI控制版本。這些產(chǎn)品將在2017年陸續(xù)發(fā)布。

表1.計(jì)劃中的新型SDI SPI器件優(yōu)化產(chǎn)品

結(jié)語(yǔ)

在高通道密度應(yīng)用中，與使用并行控制開(kāi)關(guān)相比，使用SPI控制開(kāi)關(guān)有很多優(yōu)勢(shì)。它能減少每個(gè)開(kāi)關(guān)占用的電路板空間，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更高的開(kāi)關(guān)密度。這是因?yàn)樗鼫p少了所需的數(shù)字控制線路，并且不再需要其它器件來(lái)提供這些控制線路。

ADI公司的創(chuàng)新精密SPI開(kāi)關(guān)解決方案支持提高通道密度。這些器件提供的菊花鏈模式有利于實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。由于采用雙芯片解決方案，ADI公司當(dāng)前開(kāi)關(guān)產(chǎn)品的業(yè)界領(lǐng)先開(kāi)關(guān)性能得以傳承到新產(chǎn)品。ADGS1412是新型SPI控制開(kāi)關(guān)系列中的首款產(chǎn)品，完整產(chǎn)品系列將于2017年和2018年陸續(xù)發(fā)布。

Stephen Nugent

Stephen Nugent [stephen.nugent@analog.com]是ADI公司線性與精密技術(shù)部的應(yīng)用工程師。2014年畢業(yè)于英國(guó)貝爾法斯特女王大學(xué)，獲電氣電子工程碩士學(xué)位。2014年7月加入ADI公司的線性與精密技術(shù)部，負(fù)責(zé)為模擬開(kāi)關(guān)和多路復(fù)用器產(chǎn)品系列提供技術(shù)支持。他以前也曾在ADI公司的精密轉(zhuǎn)換器部工作。