運用先進封裝和直通接腳提高開關通道密度
前言：
作者：ADI 資深應用工程師Edwin Omoruyi 及產品行銷工程師 Brendan Somers
摘要
本文介紹了一款突破性的精密開關產品。此款產品目的在徹底化解需要高通道密度與高精度的印刷電路板(PCB)設計和電子測量系統所面臨的挑戰。此款開關採用創新的被動元件共封裝方法，並具備直通接腳特性，不僅能顯著優化PCB空間利用率，而且能大幅提高開關通道密度。此外，得益於極低的導通電阻，使得測量精度得以提升，並且功耗亦可有效降低，因此非常有利於系統層面的熱管理。
引言
此款開關的主要創新之處在於其巧妙地將被動元件和獨立控制的開關與串列周邊介面(SPI)整合在一起。透過將電阻和電容直接納入開關封裝中，設計人員可以大幅節省空間。這種設計架構能夠大幅縮小電路板面積，最多可減少80%，因此非常適合對空間要求極為嚴格的應用。
直通接腳特性為PCB設計人員帶來了顛覆性的解決方案。此項特性允許SPI和電源佈線直接高效地穿過開關佈線，進而無需使用額外的貫孔或複雜的佈線配置。透過此種簡化方案，不僅設計複雜性得以降低，而且開關通道密度得到大幅提升，使得開發體積更小、更高性能的設計成為可能。
除了節省空間之外，此款開關的導通電阻也非常低，只有大約0.5 Ω。此特性對於提升測量精度和有效減少處理大電流時的發熱量十分重要。憑藉低導通電阻，這款元件能夠在廣泛的應用中實現卓越的訊號完整性和精度，包括自動測試設備和精密測量與控制系統。此外，低導通電阻改善了熱阻，即使在變化的環境條件下，也能提供可靠、一致的性能。
通道數最大化所面臨的挑戰
當以通道數最大化為目標設計系統時，電路板空間就成為寶貴的資源。開關對於提高系統通道數量有著非常重要的作用，但隨著開關數量的增加，電路板空間不僅會被開關本身佔用，還要被正常運行所需的邏輯控制線和相關被動元件佔用。結果，控制開關所需的額外元件便佔用了不少空間，導致可實現的通道數量減少。
傳統開關解決方案
提高通道密度的一種常用解決方案是使用由SPI邏輯介面控制的開關，例如八通道SPI開關ADG1414。這種架構相較於平行介面有明顯的優勢，因為其只需要四條GPIO線即可實現，並且只使用標準微控制器的一個SPI埠。對於包含大量開關的系統，可以利用元件提供的菊鍊功能來同時控制所有元件。圖1展示了以菊鍊模式配置的25個ADG1414元件控制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。這種實現方案需要配置125個元件，佔用約2600 mm2的電路板面積。
圖1.搭載25個ADG1414元件的PCB佈局示例
先進封裝
透過將被動元件直接整合到開關封裝中（如圖2所示），設計人員可以大幅節省空間。ADGS2414D整合了用於VDD、VSS和RESET/VL電源接腳的去耦電容，因此不需要外部去耦電容。SDO接腳的上拉電阻也整合於其中。再結合開關電路的多晶片堆疊，此款開關的整體尺寸得以顯著縮小，而能採用4 mm × 5 mm LGA封裝。
圖2.ADI創新的堆疊式三晶片解決方案
直通接腳
當系統中使用多個元件時，藉由直通接腳特性可以實現更精簡的佈局並提高通道密度。此特性有助於電源和數位線路在元件之間無縫傳輸。封裝的頂部和底部接腳均提供VDD、RESET/VL、GND電源線和SCLK、CS、SDI、SDO數位線。直通接腳簡化了PCB佈線，並減少連接多個元件時對貫孔的需求。圖3展示了一個PCB佈局示例，其中四個以菊鍊模式配置的ADGS2414D元件利用直通接腳特性，使佈局的整體尺寸大幅縮小。
圖3.使用直通接腳特性的PCB佈局示例
ADI開關解決方案
如前所述，圖1所示的常見開關解決方案需要佈置125個元件，佔用約2600 mm2的電路板面積。採用創新的被動元件共封裝和八通道開關的直通接腳特性，可以實現密度顯著提高的新型PCB設計。圖4展示了同樣的場景，25個ADGS2414D開關控制200個LED。藉由菊鍊功能，同樣可以同時控制所有元件。值得注意的是，這種佈局沒有被動元件，因此開關可以緊密配置，兩側上元件之間的典型間距為1 mm。此設計僅需佈置25個元件，電路板面積約為800 mm2，減少了70%。除了節省電路板面積外，還減少了100個被動元件，進而大幅節省製造成本，並提升產品品質和可靠性。
圖4.搭載25個元件的PCB佈局示例
低導通電阻
除了節省空間外，ADGS2414D並擁有卓越的低開關導通電阻，典型值為0.5 Ω。此種低電阻可大幅減少測量訊號鏈中的電壓降(I×R)，進而提高系統層面的整體精度。在高通道密度的應用中，更高的精度表示通道間差異更小，校準頻率更低，進而降低成本並提高產品測試良率。
此款開關可以處理更高的開關電流，每通道的電流高達850 mA。在處理大電流切換場景時，此項能力尤其重要。除此之外，管理開關中因功率損耗而產生的熱量也非常重要，特別是在高通道密度應用中，熱管理可能是一個難題。對此，低開關導通電阻的作用再次突顯，以熱量形式損失的功率(I2 × R)因為低導通電阻而大幅降低。此特性可確保系統內部的溫度穩定性，並有助於防止過熱問題。
菊鍊模式
ADGS2414D支援多個元件透過菊鍊配置進行連接，如圖5所示。在這種設定中，所有元件共用相同的CS、SCLK和VL線。一個元件的SDO連接到下一個元件的SDI，形成一個移位暫存器。利用單個16位元SPI幀指令菊鍊中的所有元件進入菊鍊模式。在此模式下，SDO是SDI的8週期延遲版本，故期望的開關配置可以從菊鍊中的一個元件傳遞到另一個元件。
圖5.採用菊鍊配置的兩個ADGS2414D元件
錯誤偵測功能
SPI上的協定錯誤和通訊錯誤均可被偵測出來。有三種錯誤偵測功能：SCLK計數錯誤偵測、無效讀取/寫入位址錯誤偵測和CRC錯誤偵測。每種錯誤偵測功能都可以利用錯誤配置暫存器中的相應致能位來致能或禁用。此外，在錯誤標誌暫存器中，每種錯誤偵測功能都有一個對應的錯誤標誌位元。
結論
ADGS2414D為PCB設計和電子測量技術帶來了突破性的解決方案，具有創新的被動元件共封裝、直通接腳特性、SPI介面和低導通電阻，有助於大幅縮小電路板面積、提高通道密度並提升測量精度。由於採用多晶片封裝，ADI現有開關產品的卓越開關性能得以傳承到新產品。此款元件的推出代表著創新的精密開關解決方案得以問世，且能夠大幅提升開關通道密度。
