SPI接口控制的模擬開關解決方案詳解

摘要

設計一個要求高通道密度的系統(tǒng)時，例如在測試儀器儀表中，電路板上通常需要包括大量開關。當使用并行接口控制的開關時，控制開關所需的邏輯線路以及用于生成GPIO控制信號的串行轉并行轉換器會占用很大比例的板空間。本文討論旨在解決這種設計挑戰(zhàn)的ADI公司新一代SPI控制開關及其架構，以及相對于并行控制開關，它在提高通道密度上有何優(yōu)勢。ADI公司創(chuàng)新的多芯片封裝工藝使得新型SPI轉并行轉換器芯片可以與現(xiàn)有高性能模擬開關芯片結合在同一封裝中。這樣既可節(jié)省空間，又不會影響精密開關性能。

測試設備中的通道數(shù)最大化至關重要，因為通道越多，可以并行測試的器件就越多，進而壓縮最終客戶的測試時間和成本。測試儀通過開關來分享其資源以支持多個被測器件 （DUT），故開關是增加通道數(shù)的關鍵元件。但是，并行控制的開關數(shù)量越多，控制線路也就越多，占用的電路板空間相應地增加，這嚴重制約了可以實現(xiàn)的通道密度。在此情況下，使用SPI控制的開關在解決方案尺寸和通道數(shù)方面具有顯著的優(yōu)勢。SPI開關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)。

本文將詳細說明通道數(shù)最大化過程中會遇到的問題，討論用于控制一組開關的傳統(tǒng)方法及其缺點，提出SPI控制的模擬開關解決方案，最后介紹同類產品中性能最佳的ADI SPI控制精密開關。

通道數(shù)最大化的常見問題

當模塊開發(fā)的主要目標是通道數(shù)最大化時，板空間就會變得很珍貴。開關是提高系統(tǒng)通道數(shù)的關鍵，但隨著開關數(shù)目增加，開關本身、邏輯線路及生成這些邏輯信號所需的器件會占用大量板空間，使可用空間減少。最終，受制于控制開關本身所需的相關因素，只能實現(xiàn)很有限的通道數(shù)。

傳統(tǒng)并行開關解決方案

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。這需要大量GPIO信號，標準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并行轉換器。這些器件輸出并行信號，并由I2C和SPI等串行協(xié)議進行配置。

圖1中的布局顯示了8個ADG1412四通道、單刀單擲 （SPST） 開關，采用4 x 8交叉點配置，位于一個6層板上。這些開關由兩個串行轉并行轉換器控制，串行線路來自一個控制板。每個轉換器提供16條GPIO線路，這些線路分布到8個開關。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. 并行控制開關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并行轉換器和數(shù)字控制線路占用，而不是被開關本身占用。對板空間的這種低效使用是很糟糕的，會大幅減少模塊中的開關數(shù)目，進而影響系統(tǒng)通道數(shù)。SPI開關解決方案圖2顯示了一個4 x 8交叉點配置，8個四通道SPST開關位于一個6層板上。不過，這次開關是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鐘數(shù)字線路，菊花鏈中的第一個器件接收串行數(shù)據(jù)。然后，該數(shù)據(jù)被傳送至鏈（像一個移位寄存器）中的所有器件。這個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并行轉換器和數(shù)字線路占用的板空間。采用這種開關配置，總電路板面積可減少20%，這使得通道密度大大提高。系統(tǒng)平臺也得到了簡化。當電路板上的開關數(shù)目提高時，節(jié)省的面積隨之增加，包含數(shù)百個開關的電路板可節(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，相比于傳統(tǒng)串行轉并行轉換器方案，同樣面積的電路板將能支持更多通道。

圖2. 菊花鏈開關4 x 8矩陣布局

圖3. SPI開關和并行開關解決方案的面積對比

ADI SPI開關特性

ADI公司的新型SPI開關系列可用來實現(xiàn)更高通道密度，如上例所示。通過創(chuàng)新的堆疊式雙芯片解決方案（圖4），ADI公司目前業(yè)界領先的精密開關可以利用工業(yè)標準SPI模式0接口進行配置。這意味著不僅可以節(jié)省空間，而且不會對系統(tǒng)性能造成不利影響。下面是ADI新型SPI開關的主要功能總結。

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開關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16位SPI幀指令菊花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，故期望的開關配置可以從菊花鏈中的一個器件傳遞到另一個器件。

圖5. 采用菊花鏈配置的兩個開關

錯誤檢測功能

當器件處于尋址模式或突發(fā)模式時，可以檢測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錯誤計數(shù)、無效讀取和寫入地址以及最多3位的CRC錯誤檢測。這些錯誤檢測功能確保數(shù)字接口即使在惡劣環(huán)境下也能可靠工作。

ADI SPI開關系列

ADGS1412是ADI公司正在開發(fā)的SPI開關系列中的首款產品。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公司的高性能開關為基礎構建，提供現(xiàn)有、業(yè)界領先的開關的SPI控制版本。表1列出了ADI新型SPI開關系列當前和計劃發(fā)布的產品。產品型號代表何種模擬開關芯片與SPI轉并行轉換器進行多芯片封裝，附加的S表示其為SPI控制版本。這些產品將在2017年陸續(xù)發(fā)布。

表1. 計劃中的新型SDI SPI器件優(yōu)化產品

結語

在高通道密度應用中，與使用并行控制開關相比，使用SPI控制開關有很多優(yōu)勢。它能減少每個開關占用的電路板空間，進而實現(xiàn)更高的開關密度。這是因為它減少了所需的數(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公司的創(chuàng)新精密SPI開關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現(xiàn)上述目標。由于采用雙芯片解決方案，ADI公司當前開關產品的業(yè)界領先開關性能得以傳承到新產品。ADGS1412是新型SPI控制開關系列中的首款產品，完整產品系列將于2017年和2018年陸續(xù)發(fā)布。