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)計和電子測量系統(tǒng)所面臨的挑戰(zhàn)。這款開關(guān)采用創(chuàng)新的無源元件共封裝方法，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)的主要創(chuàng)新之處在于，它巧妙地將無源元件和獨立控制的開關(guān)與串行外設(shè)接口(SPI)集成在一起。通過將電阻和電容直接納入開關(guān)封裝中，設(shè)計人員可以獲得大幅節(jié)省空間。這種設(shè)計架構(gòu)能夠大幅縮小電路板面積，最多減少80%，因此非常適合對空間要求極為嚴格的應(yīng)用。

直通引腳特性為PCB設(shè)計人員帶來了顛覆性的解決方案。這項特性允許SPI和電源走線直接高效地穿過開關(guān)布線，從而無需使用額外的過孔或復(fù)雜的布線配置。通過這種簡化方案，不僅設(shè)計復(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。此特性對于提升測量精度和有效減少處理大電流時的發(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)用中實現(xiàn)出色的信號完整性和精度，包括自動測試設(shè)備和精密測量與控制系統(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)計系統(tǒng)時，電路板空間就成為寶貴的資源。開關(guān)對于提高系統(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，還要被正常運行所需的邏輯控制線和相關(guān)無源元件占用。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，因為它只需要四條GPIO線即可實現(xiàn)，并且只使用標(biāo)準(zhǔn)微控制器的一個SPI端口。對于包含大量開關(guān)的系統(tǒng)，可以利用器件提供的菊花鏈功能來同時控制所有器件。圖1展示了以菊花鏈模式配置的25個ADG1414器件控制200個LED的示例。此外還需要三個去耦電容和一個上拉電阻以確保電路正常工作。這種實現(xiàn)方案需要布置125個元件，占用約2600 mm2的電路板面積。

圖1.搭載25個ADG1414器件的PCB布局示例

先進封裝

通過將無源元件直接集成到開關(guān)封裝中（如圖2所示），設(shè)計人員可以大幅節(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)中使用多個器件時，借助直通引腳特性可以實現(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。直通引腳簡化了PCB布線，并減少了連接多個器件時對過孔的需求。圖3展示了一個PCB布局示例，其中四個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個元件，占用約2600 mm2的電路板面積。采用創(chuàng)新的無源元件共封裝和八通道開關(guān)的直通引腳特性，可以實現(xiàn)密度顯著提高的新型PCB設(shè)計。圖4展示了同樣的場景，25個ADGS2414D開關(guān)控制200個LED。借助菊花鏈功能，同樣可以同時控制所有器件。值得注意的是，這種布局沒有無源元件，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)計僅需布置25個器件，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個無源元件，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量信號鏈中的電壓降(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，進而降低成本并提高產(chǎn)品測試良率。

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850 mA。在處理大電流切換場景時，這項能力尤其重要。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，熱管理可能是一個難題。對此，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)因為低導(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，并有助于防止過熱問題。

菊花鏈模式

ADGS2414D支持多個器件通過菊花鏈配置進行連接，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。一個器件的SDO連接到下一個器件的SDI，形成一個移位寄存器。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器件傳遞到另一個器件。

圖5.采用菊花鏈配置的兩個ADGS2414D器件

錯誤檢測功能

SPI上的協(xié)議錯誤和通信錯誤均可被檢測出來。有三種錯誤檢測功能：SCLK計數(shù)錯誤檢測、無效讀取/寫入地址錯誤檢測和CRC錯誤檢測。每種錯誤檢測功能都可以利用錯誤配置寄存器中的相應(yīng)使能位來使能或禁用。此外，在錯誤標(biāo)志寄存器中，每種錯誤檢測功能都有一個對應(yīng)的錯誤標(biāo)志位。

結(jié)論

ADGS2414D為PCB設(shè)計和電子測量技術(shù)帶來了突破性的解決方案，具有創(chuàng)新的無源元件共封裝、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。