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作者：Edwin Omoruyi，高級(jí)應(yīng)用工程師 Brendan Somers，產(chǎn)品營(yíng)銷工程師 摘要 本文介紹了一款突破性的精密開關(guān)產(chǎn)品。這款產(chǎn)品旨在徹底化解需要高通道密度與高精度的印刷電路板(PCB)設(shè)計(jì)和電子測(cè)量系統(tǒng)所面臨的挑戰(zhàn)。這款開關(guān)采用創(chuàng)新的無(wú)源元件共封裝方法，并具備直通引腳特性，不僅能顯著優(yōu)化PCB空間利用率，而且能大大提高開關(guān)通道密度。此外，得益于極低的導(dǎo)通電阻，測(cè)量精度得以提升，功耗有效降低，有利于系統(tǒng)層面的熱管理。 引言 這款開關(guān)的主要?jiǎng)?chuàng)新之處在于，它巧妙地將無(wú)源元件和獨(dú)立控制的開關(guān)與串行外設(shè)接口(SPI)集成在一起。通過(guò)將電阻和電容直接納入開關(guān)封裝中，設(shè)計(jì)人員可以獲得大幅節(jié)省空間。這種設(shè)計(jì)架構(gòu)能夠大幅縮小電路板面積，最多減少80%，因此非常適合對(duì)空間要求極為嚴(yán)格的應(yīng)用。 直通引腳特性為PCB設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了顛覆性的解決方案。這項(xiàng)特性允許SPI和電源走線直接高效地穿過(guò)開關(guān)布線，從而無(wú)需使用額外的過(guò)孔或復(fù)雜的布線配置。通過(guò)這種簡(jiǎn)化方案，不僅設(shè)計(jì)復(fù)雜性得以降低，而且開關(guān)通道密度得到大幅提高，使得創(chuàng)建更緊湊、更高性能的設(shè)計(jì)成為可能。 除了節(jié)省空間之外，這款開關(guān)的導(dǎo)通電阻也非常低，只有大約0.5 Ω。此特性對(duì)于提升測(cè)量精度和有效減少處理大電流時(shí)的發(fā)熱量至關(guān)重要。憑借低導(dǎo)通電阻，這款器件能夠在廣泛的應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)出色的信號(hào)完整性和精度，包括自動(dòng)測(cè)試設(shè)備和精密測(cè)量與控制系統(tǒng)。此外，低導(dǎo)通電阻改善了熱阻，即使在變化的環(huán)境條件下，也能提供可靠、一致的性能。 通道數(shù)最大化所面臨的挑戰(zhàn) 當(dāng)以通道數(shù)最大化為目標(biāo)設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，電路板空間就成為寶貴的資源。開關(guān)對(duì)于提高系統(tǒng)通道數(shù)量起著至關(guān)重要的作用，但隨著開關(guān)數(shù)量的增加，電路板空間不僅要被開關(guān)本身占用，還要被正常運(yùn)行所需的邏輯控制線和相關(guān)無(wú)源元件占用。結(jié)果，控制開關(guān)所需的額外元件占用了不少空間，導(dǎo)致可實(shí)現(xiàn)的通道數(shù)量減少。 傳統(tǒng)開關(guān)解決方案 提高通道密度的一種常用解決方案是使用由SPI邏輯接口控制的開關(guān)，例如八通道SPI開關(guān)ADG1414。這種架構(gòu)相比并行接口有明顯的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗恍枰臈lGPIO線即可實(shí)現(xiàn)，并且只使用標(biāo)準(zhǔn)微控制器的一個(gè)SPI端口。對(duì)于包含大量開關(guān)的系統(tǒng)，可以利用器件提供的菊花鏈功能來(lái)同時(shí)控制所有器件。圖1展示了以菊花鏈模式配置的25個(gè)ADG1414器件控制200個(gè)LED的示例。此外還需要三個(gè)去耦電容和一個(gè)上拉電阻以確保電路正常工作。這種實(shí)現(xiàn)方案需要布置125個(gè)元件，占用約2600 mm2的電路板面積。 
圖1.搭載25個(gè)ADG1414器件的PCB布局示例 先進(jìn)封裝 通過(guò)將無(wú)源元件直接集成到開關(guān)封裝中（如圖2所示），設(shè)計(jì)人員可以大幅節(jié)省空間。ADGS2414D集成了用于VDD、VSS和RESET/VL電源引腳的去耦電容，因此不需要外部去耦電容。SDO引腳的上拉電阻也集成于其中。再結(jié)合開關(guān)電路的多芯片堆疊，這款開關(guān)的整體尺寸得以顯著縮小，采用4 mm × 5 mm LGA封裝。
圖2.ADI公司創(chuàng)新的堆疊式三芯片解決方案 直通引腳 當(dāng)系統(tǒng)中使用多個(gè)器件時(shí)，借助直通引腳特性可以實(shí)現(xiàn)更緊湊的布局并提高通道密度。此特性有助于電源和數(shù)字線路在器件之間無(wú)縫傳輸。封裝的頂部和底部引腳均提供VDD、RESET/VL、GND電源線和SCLK、CS、SDI、SDO數(shù)字線。直通引腳簡(jiǎn)化了PCB布線，并減少了連接多個(gè)器件時(shí)對(duì)過(guò)孔的需求。圖3展示了一個(gè)PCB布局示例，其中四個(gè)以菊花鏈模式配置的ADGS2414D器件利用直通引腳特性，使布局的整體尺寸大大縮小。
圖3.使用直通引腳特性的PCB布局示例 ADI開關(guān)解決方案 如前所述，圖1所示的常見開關(guān)解決方案需要布置125個(gè)元件，占用約2600 mm2的電路板面積。采用創(chuàng)新的無(wú)源元件共封裝和八通道開關(guān)的直通引腳特性，可以實(shí)現(xiàn)密度顯著提高的新型PCB設(shè)計(jì)。圖4展示了同樣的場(chǎng)景，25個(gè)ADGS2414D開關(guān)控制200個(gè)LED。借助菊花鏈功能，同樣可以同時(shí)控制所有器件。值得注意的是，這種布局沒有無(wú)源元件，因此開關(guān)可以緊密排布，兩側(cè)上器件之間的典型間距為1 mm。此設(shè)計(jì)僅需布置25個(gè)器件，電路板面積約為800 mm2，減少了70%。除了節(jié)省電路板面積外，還減少了100個(gè)無(wú)源元件，從而大大節(jié)省了制造成本，并提高了產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性。
圖4.搭載25個(gè)器件的PCB布局示例 低導(dǎo)通電阻 除了節(jié)省空間外，ADGS2414D還擁有出色的低開關(guān)導(dǎo)通電阻，典型值為0.5 Ω。這種低電阻可最大限度地減少測(cè)量信號(hào)鏈中的電壓降(I×R)，從而提高系統(tǒng)層面的整體精度。在高通道密度的應(yīng)用中，更高的精度意味著通道間差異更小，校準(zhǔn)頻率更低，進(jìn)而降低成本并提高產(chǎn)品測(cè)試良率。 這款開關(guān)可以處理高得多的開關(guān)電流，每通道的電流高達(dá)850 mA。在處理大電流切換場(chǎng)景時(shí)，這項(xiàng)能力尤其重要。除此之外，管理開關(guān)中因功率損耗而產(chǎn)生的熱量也非常重要，特別是在高通道密度應(yīng)用中，熱管理可能是一個(gè)難題。對(duì)此，低開關(guān)導(dǎo)通電阻的作用再次凸顯，以熱量形式損失的功率(I2 × R)因?yàn)榈蛯?dǎo)通電阻而大大降低。此特性可確保系統(tǒng)內(nèi)部的溫度穩(wěn)定性，并有助于防止過(guò)熱問題。 菊花鏈模式 ADGS2414D支持多個(gè)器件通過(guò)菊花鏈配置進(jìn)行連接，如圖5所示。在這種設(shè)置中，所有器件共用相同的CS、SCLK和VL線。一個(gè)器件的SDO連接到下一個(gè)器件的SDI，形成一個(gè)移位寄存器。利用單個(gè)16位SPI幀指令菊花鏈中的所有器件進(jìn)入菊花鏈模式。在此模式下，SDO是SDI的8周期延遲版本，故期望的開關(guān)配置可以從菊花鏈中的一個(gè)器件傳遞到另一個(gè)器件。
圖5.采用菊花鏈配置的兩個(gè)ADGS2414D器件 錯(cuò)誤檢測(cè)功能 SPI上的協(xié)議錯(cuò)誤和通信錯(cuò)誤均可被檢測(cè)出來(lái)。有三種錯(cuò)誤檢測(cè)功能：SCLK計(jì)數(shù)錯(cuò)誤檢測(cè)、無(wú)效讀取/寫入地址錯(cuò)誤檢測(cè)和CRC錯(cuò)誤檢測(cè)。每種錯(cuò)誤檢測(cè)功能都可以利用錯(cuò)誤配置寄存器中的相應(yīng)使能位來(lái)使能或禁用。此外，在錯(cuò)誤標(biāo)志寄存器中，每種錯(cuò)誤檢測(cè)功能都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的錯(cuò)誤標(biāo)志位。 結(jié)論 ADGS2414D為PCB設(shè)計(jì)和電子測(cè)量技術(shù)帶來(lái)了突破性的解決方案，具有創(chuàng)新的無(wú)源元件共封裝、直通引腳特性、SPI接口和低導(dǎo)通電阻，有助于大幅縮小電路板面積、提高通道密度并提升測(cè)量精度。由于采用多芯片封裝，ADI公司當(dāng)前開關(guān)產(chǎn)品的出色開關(guān)性能得以傳承到新產(chǎn)品。這款器件的推出標(biāo)志著創(chuàng)新的精密開關(guān)解決方案得以問世，能夠顯著提高開關(guān)通道密度。 # # # 作者簡(jiǎn)介 Brendan Somers是ADI愛爾蘭公司儀器儀表事業(yè)部的產(chǎn)品營(yíng)銷工程師。1993年，他畢業(yè)于波爾頓大學(xué)，獲得電氣電子工程學(xué)士榮譽(yù)學(xué)位。2012年，Brendan加入ADI公司，負(fù)責(zé)精密轉(zhuǎn)換器支持工作。最近，他加入了開關(guān)與多路復(fù)用器技術(shù)部。加入ADI公司之前，他在汽車行業(yè)和產(chǎn)品制造領(lǐng)域擔(dān)任電子設(shè)計(jì)工程師超過(guò)15年。 Edwin Omoruyi是ADI愛爾蘭公司儀器儀表事業(yè)部的高級(jí)產(chǎn)品應(yīng)用工程師。2007年，他畢業(yè)于利默里克理工學(xué)院，獲得電子系統(tǒng)工程學(xué)士榮譽(yù)學(xué)位。2010年，他畢業(yè)于利默里克大學(xué)，獲得超大規(guī)模集成電路(VLSI)碩士榮譽(yù)學(xué)位。2010年至2018年，Edwin擔(dān)任ADI公司汽車和座艙電子事業(yè)部的應(yīng)用工程師，之后于2023年，他再次加入ADI公司。除了在ADI公司的工作經(jīng)歷之外，他還曾在汽車和制造行業(yè)擔(dān)任系統(tǒng)架構(gòu)師，負(fù)責(zé)AD/ADAS傳感應(yīng)用開發(fā)。 |
