新一代PCI背板電源管理需求

高速匯流排提高電源設(shè)計(jì)難度

隨著許多高速處理器、大容量硬碟和磁碟陣列、顯示卡、乙太網(wǎng)路和光纖資料通信、以及存儲(chǔ)器陣列等設(shè)備的通信速度不斷加快，使用更快速的匯流排介面來(lái)符合其應(yīng)用需求成為必要。

現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)能制造出比以前更快的邏輯電路，但僅靠提高邏輯電路速度并不足以加快匯流排速度。匯流排架構(gòu)工程師必須處理匯流排電容、因?yàn)樾盘?hào)線長(zhǎng)度不同所造成的信號(hào)歪斜現(xiàn)象、難以預(yù)測(cè)的匯流排負(fù)載變化、以及系統(tǒng)零組件的誤差。匯流排速度越快，電壓就必須越精確。而這些問(wèn)題都與俗稱為I/O電源或VIO.的匯流排收發(fā)器電源供應(yīng)習(xí)習(xí)相關(guān)，因此現(xiàn)代匯流排必須小心設(shè)計(jì)其電源才能有效發(fā)揮最大效能。

新舊PCI可相容

回溯相容性是PCI匯流排的最大優(yōu)勢(shì)。PCI特別工作小組已發(fā)展出一套方法讓PCI擴(kuò)充槽能同時(shí)支援新型與舊規(guī)格的PCI電路板。早期的PCI電路板和PCI-X 1.0（又稱為mode-1）電路板都使用3.3V VIO，而PCI-X 2.0 266MHz和533MHz（又稱為mode-2）電路板使用的則是1.5V VIO電壓。誤用3.3V電源的mode-2電路板會(huì)發(fā)生故障；而誤用1.5V電源的舊規(guī)格或mode-1電路板，則可能會(huì)沒(méi)有足夠的電壓在匯流排產(chǎn)生邏輯 “1” 信號(hào)。

原始的PCI標(biāo)準(zhǔn)是以不同的接腳邊緣外形讓5V和3.3V電路板共存，但這種做法無(wú)法提供回溯相容性。PCI-X 2.0則是借用現(xiàn)代高效能微處理器技術(shù)，也就是透過(guò)邏輯電路來(lái)選擇電壓（logic-selectable voltage）來(lái)解決此問(wèn)題。

PCI電路板連接座上有個(gè)稱為PCIXCAP的PCI-X相容性接腳，PCI系統(tǒng)會(huì)利用系統(tǒng)電路板上的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器測(cè)量PCIXCAP的電壓值以決定PCI電路板速度。傳統(tǒng)PCI電路板會(huì)將PCIXCAP接地，使擴(kuò)充槽控制器將匯流排速度限制在33MHz。PCI-X 66MHz電路板會(huì)在PCIXCAP接腳加上10kΩ下拉電阻，讓PCI-X以66MHz速度操作；PCI-X 133MHz電路板則會(huì)讓PCIXCAP處于浮動(dòng)狀態(tài)，以啟動(dòng)133MHz操作模式。

這種技術(shù)還能根據(jù)PCIXCAP共用接腳電壓來(lái)設(shè)定整個(gè)匯流排。比方說(shuō)，只要有一張PCI電路板將PCIXCAP接地，整個(gè)匯流排就會(huì)使用33MHz；PCIXCAP接腳若處于浮動(dòng)高電位，就表示所有PCI電路板皆為PCI-X 133MHz，使匯流排進(jìn)入133MHz操作模式。若有部份電路板在PCIXCAP加上10kΩ下拉電阻，PCIXCAP接腳電壓就會(huì)低于浮動(dòng)狀態(tài)的高電壓，但仍高于接地電壓，此時(shí)匯流排會(huì)在PCI-X 66MHz速率下操作。

PCI-X 2.0定義兩種新的下拉電阻值：PCI-X 266MHz的3.16kΩ以及PCI-X 533MHz的1.02kΩ，來(lái)進(jìn)一步擴(kuò)大此技術(shù)，使操作速度增加為五種。系統(tǒng)可以根據(jù)PCIXCAP模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器所提供的資訊來(lái)設(shè)定匯流排速度與VIO電壓。

工程師還需解決許多其他問(wèn)題才能完成64位元266MHz擴(kuò)充槽實(shí)作。橋接技術(shù)速度雖然已能讓一個(gè)橋接器支援6個(gè)32位元的66MHz PCI擴(kuò)充槽，但目前仍只能處理2個(gè)64位元的133MHz PCI-X 1.0匯流排擴(kuò)充槽；266MHz以上的PCI匯流排更要將橋接器直接連線至擴(kuò)充槽，才能滿足兩者之間的超高資料速率要求。

PCI VIO規(guī)格

使用3.3V或5V I/O電源和較慢的資料速率時(shí)，就算電源供應(yīng)電壓略有變動(dòng)，PCI系統(tǒng)所輸出的低電位和高電位電壓仍能達(dá)到TTL規(guī)格要求。但如果VIO降到1.5V，資料速率又增加至266MHz以上，信號(hào)振幅范圍將大幅縮小，信號(hào)穩(wěn)定時(shí)間則相對(duì)變得更重要。

PCI規(guī)格對(duì)于不同的VIO電壓要求如下：

PCI-X mode 1要求擴(kuò)充槽和橋接器的3.3V VIO電壓相差不能超過(guò)±100mV；這就表示橋接晶片的VIO電壓必須在擴(kuò)充槽VIO電壓的100mV范圍內(nèi)，以便忍受電流感測(cè)電阻、獨(dú)立的電源切換FET開(kāi)關(guān)電晶體、和信號(hào)線的可能電壓降。但若VIO電壓為1.5V，擴(kuò)充槽與橋接器的電壓就不能相差超過(guò)±15mV；此時(shí)唯有讓它們使用同一組電源，并以又短又粗的導(dǎo)線將其電源接點(diǎn)連接在一起，才能確保擴(kuò)充槽與橋接器的電壓相差在要求范圍內(nèi)。

針對(duì)VIO電壓的要求也帶來(lái)了許多新限制。舉例來(lái)說(shuō)，橋接晶片必須能開(kāi)啟和關(guān)閉VIO電壓，以及選擇電壓值在3.3V與1.5V之間。電源供應(yīng)選擇開(kāi)關(guān)在提供電源給擴(kuò)充槽負(fù)載（最高1.5A）和橋接晶片負(fù)載時(shí)（最高1.5A以上，視橋接晶片而定），其電壓降不能超過(guò)±75mV。

VIO電源實(shí)作

有些系統(tǒng)會(huì)用它的1.5V電源層，提供VIO電壓給mode-2橋接器和PCI-X擴(kuò)充槽。這些系統(tǒng)只要遵守下列簡(jiǎn)單規(guī)則，就能使用切換電路來(lái)提供VIO電壓：

1. 以寬而短的線路將VIO電壓傳送給橋接器和擴(kuò)充槽；

2. 略為提高1.5V電源層的電壓；

3. 使用導(dǎo)通阻抗極低的功率FET電晶體和電流感測(cè)元件；

4. 在「阻隔串接線路」(blocking series connection）上，利用兩顆FET開(kāi)關(guān)電晶體將1.5V電源送到橋接器和擴(kuò)充槽；如此一來(lái)，無(wú)論擴(kuò)充槽電壓為0V或3.3V，只要FET處于截止?fàn)顟B(tài)，就不會(huì)有電流從擴(kuò)充槽通過(guò)FET的體二極管進(jìn)入1.5V電源層。

除了采用上述的切換電路之外，也能以1.8V電源供應(yīng)器來(lái)提供VIO電壓給mode-2擴(kuò)充槽和橋接晶片，然后再利用低壓降線性穩(wěn)壓器將1.8V降壓至1.5V電壓。這種做法可使用成本較低的FET電晶體，而對(duì)于電路板繞線要求也比較寬。比方說(shuō)，設(shè)計(jì)人員可以使用UC382-1之類的低壓降穩(wěn)壓元件，或圖1所示的TPS2342熱插拔電源控制器；此時(shí)功率FET將同時(shí)扮演電源選擇器、穩(wěn)壓器、和熱插拔電源開(kāi)關(guān)等多種角色。

圖1：采用TPS2342 PCI-X 2.0熱插拔控制器的1.8V和3.3V VIO電壓選擇電路。它會(huì)在匯流排處于mode-2模式時(shí)，透過(guò)放大器驅(qū)動(dòng)Q2和Q3，使+1.8V電壓降為1.5V。

擴(kuò)充槽VIO接腳與元件15VIS接腳之間的連線極為重要；由于它同時(shí)擔(dān)任著電流感測(cè)和穩(wěn)壓感測(cè)等功能，所以在繞線時(shí)需特別注意。

若系統(tǒng)無(wú)法提供低電壓電源，也能利用可程式交換式穩(wěn)壓器來(lái)提供VIO電壓；例如使用可接受+12V輸入電源的PTH05000 VRM穩(wěn)壓模組提供3.3V或1.5V電壓，或是採(cǎi)用內(nèi)建FET電晶體的TPS54310 SWIFT等交換式穩(wěn)壓元件。