精密SPI開關(guān)配置提高了通道密度

抽象

在設(shè)計需要高通道密度的系統(tǒng)時，例如在測試儀器中，通常需要在電路板上包含大量開關(guān)。當(dāng)使用由并行接口控制的開關(guān)時，控制開關(guān)所需的邏輯線以及生成GPIO控制信號所需的串行至并行轉(zhuǎn)換器占用了很大一部分電路板空間。本文討論解決這一設(shè)計挑戰(zhàn)的新一代ADI SPI控制開關(guān)、其架構(gòu)以及與并行控制開關(guān)相比提供的通道密度增加。ADI公司創(chuàng)新的協(xié)同封裝工藝使新的SPI至并行轉(zhuǎn)換器芯片能夠與現(xiàn)有的高性能模擬開關(guān)芯片相結(jié)合。這樣可以節(jié)省空間，而不會影響精密開關(guān)性能。

最大化測試設(shè)備中的通道數(shù)至關(guān)重要，因為這允許并行測試更多設(shè)備，從而減少最終客戶的測試時間和成本。開關(guān) 是 允許 通道 增加 的 關(guān)鍵 因素， 因為 開關(guān) 使 測試 系統(tǒng) 能夠 共享 其 資源 以 支持 多個 DUT 。但更多的并行控制開關(guān)意味著更多的控制線路，導(dǎo)致電路板空間消耗增加。這嚴(yán)重限制了可以實現(xiàn)的通道密度。

在這種情況下，使用SPI控制的開關(guān)在解決方案尺寸和通道數(shù)方面具有顯著優(yōu)勢。SPI開關(guān)可以菊花鏈形式放置，與傳統(tǒng)解決方案相比，大大減少了所需的數(shù)字線路數(shù)量。

本文詳細介紹了嘗試最大化通道數(shù)時遇到的問題，討論了用于控制一組開關(guān)的傳統(tǒng)方法和相關(guān)缺點，介紹了SPI控制模擬開關(guān)提供的解決方案，最后介紹了同類最佳性能的SPI控制ADI精密開關(guān)。

最大化通道數(shù)時的常見問題

在開發(fā)主要目的是最大化通道數(shù)的模塊時，電路板空間成為一種商品。開關(guān)是增加系統(tǒng)中通道數(shù)的關(guān)鍵，但隨著開關(guān)數(shù)量的增加，電路板空間不僅會減少開關(guān)本身，還會減少生成這些邏輯線所需的邏輯線和相關(guān)器件。最終，由于控制交換機本身所需的相關(guān)項目，可以實現(xiàn)的通道數(shù)會受到影響。

傳統(tǒng)并行開關(guān)解決方案

提高通道密度的最常見解決方案是使用由并行邏輯信號控制的開關(guān)。這需要大量標(biāo)準(zhǔn)微控制器無法提供的GPIO信號。生成GPIO信號的解決方案是使用串行到并行轉(zhuǎn)換器。這些器件輸出并行信號，并通過串行協(xié)議進行配置，例如I2C 和 SPI。

圖1所示為布局，顯示8個ADG1412四通道單刀單擲（SPST）開關(guān)，采用6層板上的4×8交叉點配置。開關(guān)由兩個串行至并行轉(zhuǎn)換器控制，串行線路來自控制器板。每個轉(zhuǎn)換器提供 16 條 GPIO 線路，每條線路分布在 8 個交換機之間。布局以灰色顯示器件的占位面積、電源去耦電容和數(shù)字控制信號。使用并行控制開關(guān)的 4 × 8 矩陣解決方案的尺寸為 35.6 mm × 19 mm，占用面積為 676.4 mm2.

圖1.并聯(lián)控制開關(guān)4×8矩陣布局。

從圖1可以看出，大部分解決方案面積被串行至并行轉(zhuǎn)換器和數(shù)字控制線占據(jù)，而不是開關(guān)本身。這種低效的電路板空間利用并不理想，會大大減少模塊中的開關(guān)數(shù)量，進而對系統(tǒng)的通道數(shù)產(chǎn)生不利影響。

SPI 交換機解決方案

圖 2 顯示了 4 × 8 交叉點配置，在 6 層板上具有 8 個四通道 SPST 開關(guān)。但是，這次的開關(guān)是SPI控制的ADGS1412器件。與前面一樣，圖中顯示了器件占位面積、電源去耦電容和SDO上拉電阻。

該解決方案顯示了以菊花鏈形式配置的設(shè)備。所有器件共享來自SPI接口的相同片選和串行時鐘數(shù)字線路，而鏈中的第一個器件接收串行數(shù)據(jù)。然后，這些數(shù)據(jù)像移位寄存器一樣通過鏈中的所有設(shè)備。此示例解決方案的尺寸為 30 mm × 18 mm，即 540 mm 的面積2.

以菊花鏈形式使用SPI接口大大減少了串并行轉(zhuǎn)換器和數(shù)字線路占用的電路板空間。如此之多，以至于在相同的開關(guān)配置下實現(xiàn)了 20% 的整體電路板面積減少。這樣可以大幅提高通道密度。系統(tǒng)平臺也得到了簡化。當(dāng)電路板上的開關(guān)數(shù)量增加時，節(jié)省的空間面積也會隨之增加，從而在包含數(shù)百個開關(guān)的電路板上節(jié)省 >50% 的空間。

這證明了在更小的區(qū)域內(nèi)安裝更多開關(guān)的能力，與傳統(tǒng)的串行至并行轉(zhuǎn)換器解決方案相比，這反過來又允許固定面積板上的大量通道數(shù)。

圖2.菊花鏈開關(guān) 4 × 8 矩陣布局。

圖3.SPI開關(guān)和并行開關(guān)解決方案的面積比較。

ADI SPI開關(guān)特性

ADI公司的新型SPI開關(guān)產(chǎn)品組合可用于實現(xiàn)更高的通道密度，如上例所示。創(chuàng)新的堆疊式雙芯片解決方案（圖4）使ADI公司當(dāng)前業(yè)界領(lǐng)先的精密開關(guān)能夠配置行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的SPI模式0接口。這意味著可以在不對系統(tǒng)性能產(chǎn)生不利影響的情況下節(jié)省空間。以下是新型ADI SPI開關(guān)的主要功能摘要。

菊花鏈模式

如前所述，ADI SPI開關(guān)能夠在菊花鏈模式下工作。ADGS1412器件在菊花鏈中的連接如圖5所示。所有設(shè)備共享CS和SCLK數(shù)字線路，而設(shè)備的SDO與下一個設(shè)備的SDI形成連接。單個 16 位 SPI 幀用于命令鏈中的所有器件進入菊花鏈模式。在菊花鏈模式下，SDO是SDI的8周期延遲版本，因此所需的開關(guān)配置可以從鏈中的一個設(shè)備傳遞到鏈中的下一個設(shè)備。

圖5.菊花鏈配置中的兩個交換機。

錯誤檢測功能

當(dāng)器件處于地址模式或突發(fā)模式時，可以檢測到SPI接口上的協(xié)議和通信錯誤。有三種錯誤檢測方法，分別是SCLK計數(shù)不正確，讀寫地址無效以及最多3位的CRC錯誤檢測。這些錯誤檢測功能可確保即使在最惡劣的環(huán)境中也能提供可靠的數(shù)字接口。

ADI SPI開關(guān)系列

ADGS1412是ADI公司正在開發(fā)的SPI開關(guān)系列中的首款產(chǎn)品。得益于ADI公司開發(fā)的創(chuàng)新雙芯片解決方案，ADGS1412具有同類最佳、低R特性。上與并行控制ADG1412一樣具有并行控制ADG1412的性能，同時具有串行接口帶來的優(yōu)勢。

該產(chǎn)品組合將基于ADI的高性能開關(guān)構(gòu)建，提供現(xiàn)有業(yè)界領(lǐng)先開關(guān)的SPI控制版本。表1顯示了ADI SPI開關(guān)系列中當(dāng)前和計劃中的產(chǎn)品。部件號表示哪個模擬開關(guān)芯片與SPI至并行轉(zhuǎn)換器共同封裝，并帶有一個額外的S，以表明這是SPI控制版本。這些產(chǎn)品將于2017年全年發(fā)布。

總結(jié)

與使用并行控制開關(guān)相比，在高通道密度應(yīng)用中使用 SPI 控制開關(guān)具有許多優(yōu)勢。它可以減少每個開關(guān)使用的電路板空間，從而增加可實現(xiàn)的開關(guān)密度。這是由于減少了所需的數(shù)字控制線，并移除了提供這些控制線所需的設(shè)備。