采用SPI接口的模擬開關(guān)提高通道密度

作者　Stephen Nugent ADI公司線性與精密技術(shù)部應(yīng)用工程師

Stephen Nugent，電氣電子工程碩士，ADI公司線性與精密技術(shù)部應(yīng)用工程師，負(fù)責(zé)為模擬開關(guān)和多路復(fù)用器產(chǎn)品系列提供技術(shù)支持。

摘要：本文設(shè)計(jì)一個(gè)要求高通道密度的系統(tǒng)時(shí)，例如在測試儀器儀表中，電路板上通常需要包括大量開關(guān)。當(dāng)使用并行接口控制的開關(guān)時(shí)，控制開關(guān)所需的邏輯線路以及用于生成GPIO控制信號的串行轉(zhuǎn)并行轉(zhuǎn)換器會(huì)占用很大比例的板空間。本文介紹了新一代SPI控制開關(guān)及其架構(gòu)，以及相對于并行控制開關(guān)，它在提高通道密度上有何優(yōu)勢。

通道數(shù)最大化的常見問題

　　當(dāng)模塊開發(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。開關(guān)是提高系統(tǒng)通道數(shù)的關(guān)鍵，但隨著開關(guān)數(shù)目增加，開關(guān)本身、邏輯線路及生成這些邏輯信號所需的器件會(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)。

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GPIO信號，標(biāo)準(zhǔn)微控制器無法提供如此多的信號。為了生成GPIO信號，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，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。這些開關(guān)由兩個(gè)串行轉(zhuǎn)并行轉(zhuǎn)換器控制，串行線路來自一個(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)開關(guān)。布局顯示了器件、電源去耦電容和數(shù)字控制信號(灰色)的占地大小。采用并行控制開關(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。

　　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，而不是被開關(guān)本身占用。對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關(guān)數(shù)目，進(jìn)而影響系統(tǒng)通道數(shù)。

SPI開關(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開關(guān)位于一個(gè)6層板上。不過，這次開關(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)也得到了簡化。當(dāng)電路板上的開關(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)開關(guān)的電路板可節(jié)省50%以上的空間。

　　這說明在更小的面積中可以放入更多開關(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。

ADI SPI開關(guān)特性

　　ADI公司的新型SPI開關(guān)系列可用來實(shí)現(xiàn)更高通道密度，如前文解決方案。通過創(chuàng)新的堆疊式雙芯片解決方案(圖4)，ADI公司的精密開關(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)對系統(tǒng)性能造成不利影響。下面是ADI新型SPI開關(guān)的主要功能總結(jié)。

菊花鏈模式

　　ADI SPI開關(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CS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。

錯(cuò)誤檢測功能

　　當(dāng)器件處于尋址模式或突發(fā)模式時(shí)，可以檢測SPI接口上的協(xié)議和通信錯(cuò)誤。有三種錯(cuò)誤檢測方法，分別是SCLK錯(cuò)誤計(jì)數(shù)、無效讀取和寫入地址以及最多3位的CRC錯(cuò)誤檢測。這些錯(cuò)誤檢測功能確保數(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不僅具有與并行控制器件ADG1412相同的同類最佳的低RON性能，而且具備串行接口帶來的優(yōu)勢。

　　該系列將以ADI公司的高性能開關(guān)為基礎(chǔ)構(gòu)建，提供現(xiàn)有業(yè)界領(lǐng)先的開關(guān)的SPI控制版本。表1列出了ADI新型SPI開關(guān)系列當(dāng)前和計(jì)劃發(fā)布的產(chǎn)品。產(chǎn)品型號代表何種模擬開關(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。

結(jié)論

　　在高通道密度應(yīng)用中，與使用并行控制開關(guān)相比，使用SPI控制開關(guān)有很多優(yōu)勢。它能減少每個(gè)開關(guān)占用的電路板空間，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更高的開關(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提供這些控制線路。ADI公司的SPI開關(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)。

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第8期第72頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。