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采用SPI接口的模拟开关提高通道密度

发布时间:2019-05-21 14:22 来源:未知 编辑:admin

  :本文设计一个要求高通道密度的系统时,例如在测试仪器仪表中,电路板上通常需要包括大量开关。当使用并行接口控制的开关时,控制开关所需的逻辑线路以及用于生成GPIO控制信号的串行转并行转换器会占用很大比例的板空间。本文介绍了新一代SPI控制开关及其架构,以及相对于并行控制开关,它在提高通道密度上有何优势。

  Stephen Nugent,电气电子工程硕士,ADI公司线性与精密技术部应用工程师,负责为模拟开关和多路复用器产品系列提供技术支持。

  摘要:本文设计一个要求高通道密度的系统时,例如在测试仪器仪表中,电路板上通常需要包括大量开关。当使用并行接口控制的开关时,控制开关所需的逻辑线路以及用于生成GPIO控制信号的串行转并行转换器会占用很大比例的板空间。本文介绍了新一代SPI控制开关及其架构,以及相对于并行控制开关,它在提高通道密度上有何优势。

  当模块开发的主要目标是通道数最大化时,板空间就会变得很珍贵。开关是提高系统通道数的关键,但随着开关数目增加,开关本身、逻辑线路及生成这些逻辑信号所需的器件会占用大量板空间,使可用空间减少。最终,受制于控制开关本身所需的相关因素,只能实现很有限的通道数。

  提高通道密度的最常见解决方案是使用由并行逻辑信号控制的开关。这需要大量GPIO信号,标准微控制器无法提供如此多的信号。为了生成GPIO信号,一种解决办法是使用串行转并行转换器。这些器件输出并行信号,并由I2C和SPI等串行协议进行配置。

  图1中的布局显示了8个ADG1412四通道、单刀单掷(SPST)开关,采用4 x 8交叉点配置,位于一个6层板上。这些开关由两个串行转并行转换器控制,串行线路来自一个控制板。每个转换器提供16条GPIO线个开关。布局显示了器件、电源去耦电容和数字控制信号(灰色)的占地大小。采用并行控制开关的4 x 8矩阵解决方案的尺寸为35.6 mm x 19 mm,占用面积为676.4 mm2。

  从图1可以明显看出,很大比例的面积被串行转并行转换器和数字控制线路占用,而不是被开关本身占用。对板空间的这种低效使用是很糟糕的,会大幅减少模块中的开关数目,进而影响系统通道数。

  图2显示了一个4 x 8交叉点配置,8个四通道SPST开关位于一个6层板上。不过,这次开关是SPI控制的ADGS1412器件。像之前一样,图中显示了器件尺寸、电源去耦电容和SDO上拉电阻。

  该解决方案展示器件以菊花链形式配置。所有器件共享来自SPI接口的片选和串行时钟数字线路,菊花链中的第一个器件接收串行数据。然后,该数据被传送至链(像一个移位寄存器)中的所有器件。这个示例解决方案的尺寸是30 mm x 18 mm,面积为540 mm2。

  以菊花链形式使用SPI接口可大大减少串行转并行转换器和数字线路占用的板空间。采用这种开关配置,总电路板面积可减少20%,这使得通道密度大大提高。系统平台也得到了简化。当电路板上的开关数目提高时,节省的面积随之增加,包含数百个开关的电路板可节省50%以上的空间。

  这说明在更小的面积中可以放入更多开关,相比于传统串行转并行转换器方案,同样面积的电路板将能支持更多通道。

  ADI公司的新型SPI开关系列可用来实现更高通道密度,如前文解决方案。通过创新的堆叠式双芯片解决方案(图4),ADI公司的精密开关可以利用工业标准SPI模式0接口进行配置。这意味着不仅可以节省空间,而且不会对系统性能造成不利影响。下面是ADI新型SPI开关的主要功能总结。

  ADI SPI开关能以菊花链模式工作。采用菊花链配置的ADGS1412器件连接如图5所示。所有器件共享CS和SCLK数字线路,而器件的SDO与下一器件的SDI形成连接。利用单个16位SPI帧指令菊花链中的所有器件进入菊花链模式。在菊花链模式下,SDO是SDI的8周期延迟版本,故期望的开关配置可以从菊花链中的一个器件传递到另一个器件。

  当器件处于寻址模式或突发模式时,可以检测SPI接口上的协议和通信错误。有三种错误检测方法,分别是SCLK错误计数、无效读取和写入地址以及最多3位的CRC错误检测。这些错误检测功能确保数字接口即使在恶劣环境下也能可靠工作。

  ADGS1412是ADI公司正在开发的SPI开关系列中的首款产品。得益于ADI公司开发的创新双芯片解决方案,ADGS1412不仅具有与并行控制器件ADG1412相同的同类最佳的低RON性能,而且具备串行接口带来的优势。

  该系列将以ADI公司的高性能开关为基础构建,提供现有业界领先的开关的SPI控制版本。表1列出了ADI新型SPI开关系列当前和计划发布的产品。产品型号代表何种模拟开关芯片与SPI转并行转换器进行多芯片封装,附加的S表示其为SPI控制版本。这些产品将在2017年陆续发布。

  在高通道密度应用中,与使用并行控制开关相比,使用SPI控制开关有很多优势。它能减少每个开关占用的电路板空间,进而实现更高的开关密度。这是因为它减少了所需的数字控制线路,并且不再需要其它器件来提供这些控制线路。ADI公司的SPI开关解决方案支持提高通道密度。这些器件提供的菊花链模式有利于实现上述目标。

  本文来源于《电子产品世界》2017年第8期第72页,欢迎您写论文时引用,并注明出处。

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