抽象

在設計需要高通道密度的系統時，例如在測試儀器中，通常需要在電路板上包含大量開關。當使用由并行接口控制的開關時，控制開關所需的邏輯線以及生成GPIO控制信號所需的串行至并行轉換器占用了很大一部分電路板空間。本文討論解決這一設計挑戰的新一代ADI SPI控制開關、其架構以及與并行控制開關相比提供的通道密度增加。ADI公司創新的協同封裝工藝使新的SPI至并行轉換器芯片能夠與現有的高性能模擬開關芯片相結合。這樣可以節省空間，而不會影響精密開關性能。

最大化測試設備中的通道數至關重要，因為這允許并行測試更多設備，從而減少最終客戶的測試時間和成本。開關 是 允許 通道 增加 的 關鍵 因素， 因為 開關 使 測試 系統 能夠 共享 其 資源 以 支持 多個 DUT 。但更多的并行控制開關意味著更多的控制線路，導致電路板空間消耗增加。這嚴重限制了可以實現的通道密度。

在這種情況下，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優勢。SPI開關可以菊花鏈形式放置，與傳統解決方案相比，大大減少了所需的數字線路數量。

本文詳細介紹了嘗試最大化通道數時遇到的問題，討論了用于控制一組開關的傳統方法和相關缺點，介紹了SPI控制模擬開關提供的解決方案，最后介紹了同類最佳性能的SPI控制ADI精密開關。

最大化通道數時的常見問題

在開發主要目的是最大化通道數的模塊時，電路板空間成為一種商品。開關是增加系統中通道數的關鍵，但隨著開關數量的增加，電路板空間不僅會減少開關本身，還會減少生成這些邏輯線所需的邏輯線和相關器件。最終，由于控制交換機本身所需的相關項目，可以實現的通道數會受到影響。

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。這需要大量標準微控制器無法提供的GPIO信號。生成GPIO信號的解決方案是使用串行到并行轉換器。這些器件輸出并行信號，并通過串行協議進行配置，例如I2C 和 SPI。

圖1所示為布局，顯示8個ADG1412四通道單刀單擲（SPST）開關，采用6層板上的4×8交叉點配置。開關由兩個串行至并行轉換器控制，串行線路來自控制器板。每個轉換器提供 16 條 GPIO 線路，每條線路分布在 8 個交換機之間。布局以灰色顯示器件的占位面積、電源去耦電容和數字控制信號。使用并行控制開關的 4 × 8 矩陣解決方案的尺寸為 35.6 mm × 19 mm，占用面積為 676.4 mm2.

圖1.并聯控制開關4×8矩陣布局。

從圖1可以看出，大部分解決方案面積被串行至并行轉換器和數字控制線占據，而不是開關本身。這種低效的電路板空間利用并不理想，會大大減少模塊中的開關數量，進而對系統的通道數產生不利影響。

SPI 交換機解決方案

圖 2 顯示了 4 × 8 交叉點配置，在 6 層板上具有 8 個四通道 SPST 開關。但是，這次的開關是SPI控制的ADGS1412器件。與前面一樣，圖中顯示了器件占位面積、電源去耦電容和SDO上拉電阻。

該解決方案顯示了以菊花鏈形式配置的設備。所有器件共享來自SPI接口的相同片選和串行時鐘數字線路，而鏈中的第一個器件接收串行數據。然后，這些數據像移位寄存器一樣通過鏈中的所有設備。此示例解決方案的尺寸為 30 mm × 18 mm，即 540 mm 的面積2.

以菊花鏈形式使用SPI接口大大減少了串并行轉換器和數字線路占用的電路板空間。如此之多，以至于在相同的開關配置下實現了 20% 的整體電路板面積減少。這樣可以大幅提高通道密度。系統平臺也得到了簡化。當電路板上的開關數量增加時，節省的空間面積也會隨之增加，從而在包含數百個開關的電路板上節省 >50% 的空間。

這證明了在更小的區域內安裝更多開關的能力，與傳統的串行至并行轉換器解決方案相比，這反過來又允許固定面積板上的大量通道數。

圖2.菊花鏈開關 4 × 8 矩陣布局。

圖3.SPI開關和并行開關解決方案的面積比較。

ADI SPI開關特性

ADI公司的新型SPI開關產品組合可用于實現更高的通道密度，如上例所示。創新的堆疊式雙芯片解決方案（圖4）使ADI公司當前業界領先的精密開關能夠配置行業標準的SPI模式0接口。這意味著可以在不對系統性能產生不利影響的情況下節省空間。以下是新型ADI SPI開關的主要功能摘要。

菊花鏈模式

如前所述，ADI SPI開關能夠在菊花鏈模式下工作。ADGS1412器件在菊花鏈中的連接如圖5所示。所有設備共享CS和SCLK數字線路，而設備的SDO與下一個設備的SDI形成連接。單個 16 位 SPI 幀用于命令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，因此所需的開關配置可以從鏈中的一個設備傳遞到鏈中的下一個設備。

圖5.菊花鏈配置中的兩個交換機。

錯誤檢測功能

當器件處于地址模式或突發模式時，可以檢測到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計數不正確，讀寫地址無效以及最多3位的CRC錯誤檢測。這些錯誤檢測功能可確保即使在最惡劣的環境中也能提供可靠的數字接口。

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具有同類最佳、低R特性。上與并行控制ADG1412一樣具有并行控制ADG1412的性能，同時具有串行接口帶來的優勢。

該產品組合將基于ADI的高性能開關構建，提供現有業界領先開關的SPI控制版本。表1顯示了ADI SPI開關系列中當前和計劃中的產品。部件號表示哪個模擬開關芯片與SPI至并行轉換器共同封裝，并帶有一個額外的S，以表明這是SPI控制版本。這些產品將于2017年全年發布。

總結

與使用并行控制開關相比，在高通道密度應用中使用 SPI 控制開關具有許多優勢。它可以減少每個開關使用的電路板空間，從而增加可實現的開關密度。這是由于減少了所需的數字控制線，并移除了提供這些控制線所需的設備。