精密SPI开关配置提高了通道密度
作者：Stephen Nugent
抽象
在设计需要高通道密度的系统时，例如在测试仪器中，通常需要在电路板上包含大量开关。当使用由并行接口控制的开关时，控制开关所需的逻辑线以及生成GPIO控制信号所需的串行至并行转换器占用了很大一部分电路板空间。本文讨论解决这一设计挑战的新一代ADISPI控制开关、其架构以及与并行控制开关相比提供的通道密度增加。ADI公司创新的协同封装工艺使新的SPI至并行转换器芯片能够与现有的高性能模拟开关芯片相结合。这样可以节省空间，而不会影响精密开关性能。
最大化测试设备中的通道数至关重要，因为这允许并行测试更多设备，从而减少最终客户的测试时间和成本。开关 是 允许 通道 增加 的 关键 因素， 因为开关 使 测试 系统 能够 共享 其 资源 以 支持 多个 DUT 。但更多的并行控制开关意味着更多的控制线路，导致电路板空间消耗增加。这严重限制了可以实现的通道密度。
在这种情况下，使用SPI控制的开关在解决方案尺寸和通道数方面具有显著优势。SPI开关可以菊花链形式放置，与传统解决方案相比，大大减少了所需的数字线路数量。
本文详细介绍了尝试最大化通道数时遇到的问题，讨论了用于控制一组开关的传统方法和相关缺点，介绍了SPI控制模拟开关提供的解决方案，最后介绍了同类最佳性能的SPI控制ADI精密开关。
最大化通道数时的常见问题
在开发主要目的是最大化通道数的模块时，电路板空间成为一种商品。开关是增加系统中通道数的关键，但随着开关数量的增加，电路板空间不仅会减少开关本身，还会减少生成这些逻辑线所需的逻辑线和相关器件。最终，由于控制交换机本身所需的相关项目，可以实现的通道数会受到影响。
传统并行开关解决方案
提高通道密度的最常见解决方案是使用由并行逻辑信号控制的开关。这需要大量标准微控制器无法提供的GPIO信号。生成GPIO信号的解决方案是使用串行到并行转换器。这些器件输出并行信号，并通过串行协议进行配置，例如I2C 和 SPI。
图1所示为布局，显示8个ADG1412四通道单刀单掷（SPST）开关，采用6层板上的4×8交叉点配置。开关由两个串行至并行转换器控制，串行线路来自控制器板。每个转换器提供 16 条 GPIO 线路，每条线路分布在 8 个交换机之间。布局以灰色显示器件的占位面积、电源去耦电容和数字控制信号。使用并行控制开关的 4 × 8 矩阵解决方案的尺寸为 35.6 mm × 19 mm，占用面积为 676.4 mm2.
图1.并联控制开关4×8矩阵布局。
从图1可以看出，大部分解决方案面积被串行至并行转换器和数字控制线占据，而不是开关本身。这种低效的电路板空间利用并不理想，会大大减少模块中的开关数量，进而对系统的通道数产生不利影响。
SPI 交换机解决方案
图 2 显示了 4 × 8 交叉点配置，在 6 层板上具有 8 个四通道 SPST 开关。但是，这次的开关是SPI控制的ADGS1412器件。与前面一样，图中显示了器件占位面积、电源去耦电容和SDO上拉电阻。
该解决方案显示了以菊花链形式配置的设备。所有器件共享来自SPI接口的相同片选和串行时钟数字线路，而链中的第一个器件接收串行数据。然后，这些数据像移位寄存器一样通过链中的所有设备。此示例解决方案的尺寸为 30 mm × 18 mm，即 540 mm 的面积2.
以菊花链形式使用SPI接口大大减少了串并行转换器和数字线路占用的电路板空间。如此之多，以至于在相同的开关配置下实现了 20% 的整体电路板面积减少。这样可以大幅提高通道密度。系统平台也得到了简化。当电路板上的开关数量增加时，节省的空间面积也会随之增加，从而在包含数百个开关的电路板上节省 >50% 的空间。
这证明了在更小的区域内安装更多开关的能力，与传统的串行至并行转换器解决方案相比，这反过来又允许固定面积板上的大量通道数。
图2.菊花链开关 4 × 8 矩阵布局。
图3.SPI开关和并行开关解决方案的面积比较。
ADI SPI开关特性
ADI公司的新型SPI开关产品组合可用于实现更高的通道密度，如上例所示。创新的堆叠式双芯片解决方案（图4）使ADI公司当前业界领先的精密开关能够配置行业标准的SPI模式0接口。这意味着可以在不对系统性能产生不利影响的情况下节省空间。以下是新型ADI SPI开关的主要功能摘要。
菊花链模式
如前所述，ADI SPI开关能够在菊花链模式下工作。ADGS1412器件在菊花链中的连接如图5所示。所有设备共享CS和SCLK数字线路，而设备的SDO与下一个设备的SDI形成连接。单个 16 位 SPI 帧用于命令链中的所有器件进入菊花链模式。在菊花链模式下，SDO是SDI的8周期延迟版本，因此所需的开关配置可以从链中的一个设备传递到链中的下一个设备。
图5.菊花链配置中的两个交换机。
错误检测功能
当器件处于地址模式或突发模式时，可以检测到SPI接口上的协议和通信错误。有三种错误检测方法，分别是SCLK计数不正确，读写地址无效以及最多3位的CRC错误检测。这些错误检测功能可确保即使在最恶劣的环境中也能提供可靠的数字接口。
ADI SPI开关系列
ADGS1412是ADI公司正在开发的SPI开关系列中的首款产品。得益于ADI公司开发的创新双芯片解决方案，ADGS1412具有同类最佳、低R特性。上与并行控制ADG1412一样具有并行控制ADG1412的性能，同时具有串行接口带来的优势。
该产品组合将基于ADI的高性能开关构建，提供现有业界领先开关的SPI控制版本。表1显示了ADI SPI开关系列中当前和计划中的产品。部件号表示哪个模拟开关芯片与SPI至并行转换器共同封装，并带有一个额外的S，以表明这是SPI控制版本。这些产品将于2017年全年发布。
总结
与使用并行控制开关相比，在高通道密度应用中使用 SPI 控制开关具有许多优势。它可以减少每个开关使用的电路板空间，从而增加可实现的开关密度。这是由于减少了所需的数字控制线，并移除了提供这些控制线所需的设备。
