【導讀】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。
本文討論旨在解決這種設計挑戰的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勢。ADI公司創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有高性能模擬開關芯片結合在同一封裝中。這樣既可節省空間，又不會影響精密開關性能。
測試設備中的通道數最大化至關重要，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的關鍵元件。但是，并行控制的開關數量越多，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方面具有顯著的優勢。SPI開關可以采用菊花鏈形式布置，相比于傳統解決方案，此舉可大幅減少所需的數字線路數。
本文將詳細說明通道數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。
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。
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更高通道密度，如上例所示。通過創新的堆疊式雙芯片解決方案（圖4），ADI公司目前業界領先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。
圖4.ADI公司創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。
表1.計劃中的新型SDI SPI器件優化產品
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公司的創新精密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年陸續發布。
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