作者　Stephen Nugent ADI公司線性與精密技術部應用工程師

Stephen Nugent，電氣電子工程碩士，ADI公司線性與精密技術部應用工程師，負責為模擬開關和多路復用器產品系列提供技術支持。

摘要：本文設計一個要求高通道密度的系統時，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。本文介紹了新一代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勢。

通道數最大化的常見問題

　　當模塊開發的主要目標是通道數最大化時，板空間就會變得很珍貴。開關是提高系統通道數的關鍵，但隨著開關數目增加，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，只能實現很有限的通道數。

傳統并行開關解決方案

　　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。

　　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目，進而影響系統通道數。

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字線路，菊花鏈中的第一個器件接收串行數據。然后，該數據被傳送至鏈(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。系統平臺也得到了簡化。當電路板上的開關數目提高時，節省的面積隨之增加，包含數百個開關的電路板可節省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。

ADI SPI開關特性

　　ADI公司的新型SPI開關系列可用來實現更高通道密度，如前文解決方案。通過創新的堆疊式雙芯片解決方案(圖4)，ADI公司的精密開關可以利用工業標準SPI模式0接口進行配置。這意味著不僅可以節省空間，而且不會對系統性能造成不利影響。下面是ADI新型SPI開關的主要功能總結。

菊花鏈模式

　　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。

錯誤檢測功能

　　當器件處于尋址模式或突發模式時，可以檢測SPI接口上的協議和通信錯誤。有三種錯誤檢測方法，分別是SCLK錯誤計數、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字接口即使在惡劣環境下也能可靠工作。

ADI SPI開關系列

　　ADGS1412是ADI公司正在開發的SPI開關系列中的首款產品。得益于ADI公司開發的創新雙芯片解決方案，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勢。

　　該系列將以ADI公司的高性能開關為基礎構建，提供現有業界領先的開關的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年陸續發布。

結論

　　在高通道密度應用中，與使用并行控制開關相比，使用SPI控制開關有很多優勢。它能減少每個開關占用的電路板空間，進而實現更高的開關密度。這是因為它減少了所需的數字控制線路，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上述目標。

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