W artykule omówiono zastosowanie innowacyjnego rozwiązania polegającego na unikatowej integracji elementów pasywnych w jednej obudowie ze strukturą przełącznika i niezależnym sterowaniu przełączników z interfejsem szeregowym (SPI). Dzięki umieszczeniu rezystorów i kondensatorów bezpośrednio w obudowie przełącznika projektanci mogą osiągnąć bezprecedensowe korzyści w zakresie oszczędności miejsca. Taka konstrukcja pozwala na znaczne zredukowanie  powierzchni płytki, nawet o 80%. Jest to więc idealne rozwiązanie dla zastosowań, w których ograniczenia przestrzeni mają kluczowe znaczenie.

Innym innowacyjnym rozwiązaniem dla projektantów płytek drukowanych jest funkcja routingu przez piny. Umożliwiając efektywne trasowanie ścieżek SPI i zasilania bezpośrednio przez przełącznik, funkcja ta eliminuje potrzebę stosowania dodatkowych przelotek lub skomplikowanego prowadzenia ścieżek. Uproszczenie to nie tylko zmniejsza złożoność projektu, ale także prowadzi do znacznej poprawy gęstości kanałów przełącznika, umożliwiając tworzenie bardziej kompaktowych i wydajnych projektów.

Oprócz cech pozwalających zaoszczędzić miejsce, przełącznik charakteryzuje się niską rezystancją przełączania wynoszącą około 0,5 Ω. Cecha ta ma kluczowe znaczenie dla poprawy dokładności pomiarów i minimalizacji wytwarzania ciepła podczas pracy z wysokimi prądami. Dzięki zmniejszeniu rezystancji przełączania zapewniona jest doskonała integralność sygnału i precyzja w szerokim zakresie zastosowań, w tym w automatycznych urządzeniach testujących oraz precyzyjnych systemach pomiarowych i sterujących. Ponadto niska rezystancja przełączania poprawia odporność termiczną, zapewniając niezawodną i stałą wydajność nawet w zmiennych warunkach środowiskowych.

Wyzwania związane z maksymalizacją liczby kanałów

Podczas projektowania systemu mającego na celu maksymalizację liczby kanałów, cennym zasobem staje się przestrzeń na płytce. Przełączniki odgrywają kluczową rolę w zwiększaniu liczby kanałów w systemie, ale wraz ze wzrostem liczby przełączników przestrzeń na płytce jest zajmowana nie tylko przez same przełączniki, ale także przez linie sterowania logicznego i związane z nimi elementy pasywne niezbędne do prawidłowego działania. W rezultacie osiągalna liczba kanałów jest ograniczona ze względu na miejsce zajmowane przez dodatkowe elementy potrzebne do sterowania przełącznikami.

Tradycyjne rozwiązanie przełączników

Jednym z powszechnie stosowanych rozwiązań zwiększających gęstość kanałów jest zastosowanie przełączników sterowanych interfejsem logicznym SPI, takich jak ADG1414 (ośmiokanałowy przełącznik SPI). Architektura ta oferuje znaczną przewagę nad interfejsem równoległym, ponieważ do jej wdrożenia wymagane są tylko cztery linie GPIO. Używany jest tylko jeden port SPI standardowego mikrokontrolera. W systemach zawierających wiele przełączników można wykorzystać funkcję łańcuchową dostępną w układzie do jednoczesnego sterowania wszystkimi układami. Na rysunku 1 zilustrowano przykład, w którym 25 układów ADG1414 skonfigurowanych w trybie łańcuchowym steruje 200 diodami LED. Do prawidłowego działania układu wymagane są trzy kondensatory odsprzęgające i jeden rezystor podciągający. Wdrożenie to wymaga umieszczenia 125 komponentów, zajmujących powierzchnię płytki około 2600 mm².

Rys. 1. Przykładowy układ PCB pokazujący 25 urządzeń ADG1414

Zaawansowane obudowy

Dzięki zintegrowaniu elementów pasywnych bezpośrednio w obudowie przełącznika, jak pokazano na rysunku 2, projektanci mogą osiągnąć spore korzyści w zakresie oszczędności miejsca. W ADGS2414D zostały zintegrowane kondensatory odsprzęgające dla pinów zasilania VDD, VSS i RESET/VL. Dzięki temu nie ma potrzeby stosowania zewnętrznych kondensatorów pełniących tę funkcję. Zintegrowany jest również rezystor podciągający dla pinu SDO. W połączeniu z wielowarstwowym układem przełączników, całkowita powierzchnia zajmowana przez ten przełącznik jest znacznie zmniejszona i dostępna w obudowie LGA o wymiarach 4 mm × 5 mm.

Rys. 2. Innowacyjne rozwiązanie ADI z potrójnym układem scalonym

Trasowanie przez piny

W przypadku stosowania wielu ukłądów w systemie funkcja przeprowadzania ścieżek przez piny pozwala uzyskać bardziej kompaktowy układ o zwiększonej gęstości kanałów. Funkcja ta ułatwia płynne rozprowadzanie zasilania i linii cyfrowych między ukłądami. Linie zasilania VDD, RESET/VL i GND, a także linie cyfrowe SCLK, CS, SDI i SDO są dostępne zarówno na górnych, jak i dolnych pinach obudowy. Te przelotowe piny upraszczają trasowanie ścieżek na PCB i zmniejszają potrzebę stosowania przelotek podczas łączenia wielu układów. Na rysunku 3 został przedstawiony przykładowy układ PCB, w którym przelotowe piny czterech układów ADGS2414D skonfigurowanych w trybie łańcuchowym są stosowane do zminimalizowania całkowitej wielkości układu.

Rys. 3. Przykładowy układ PCB z wykorzystaniem funkcji przelotowych pinów

Przełącznik ADI

Jak wspomniano wcześniej, układ przełączników pokazanych na rysunku 1 wymaga umieszczenia 125 komponentów zajmujących powierzchnię płytki około 2600 mm². Dzięki innowacyjnemu umieszczaniu elementów pasywnych we wspólnej obudowie z układami wykonawczymi (przełącznikami), a także funkcji przelotowych pinów układu zawierającego osiem przełączników, możliwe jest uzyskanie nowego projektu płytki drukowanej o znacznie lepszym upakowaniu przełączników. Na rysunku 4 przedstawiono analogiczną konstrukcję z 200 diodami LED sterowanych przez 25 przełączników ADGS2414D. Tu rwnież można wykorzystać funkcję łańcuchowego łączenia do jednoczesnego sterowania wszystkimi układami. Co ważne, nie ma tu elementów pasywnych, dzięki czemu możliwe jest umieszczenie przełączników w bliskiej odległości, z typowym odstępem 1 mm między każdym układem po obu stronach. Projekt ten wymaga zamontowania tylko 25 układów na płytce o powierzchni około 800 mm², czyli zmniejszoną o 70%. Oprócz oszczędności powierzchni płytki, uzyskuje się redukcję 100 elementów pasywnych, a to prowadzi do znacznych oszczędności kosztów produkcji, a także poprawy jakości i niezawodności produktu.

Rys. 4. Przykładowy układ PCB z 25 układami

Niska rezystancja przełącznika

Oprócz oszczędności miejsca, ADGS2414D charakteryzuje się imponująco niską rezystancją przełączania, wynoszącą zazwyczaj 0,5 Ω. Dzięki temu minimalizowane są spadki napięcia (I × R) w łańcuchu sygnałów pomiarowych, co skutkuje zwiększoną ogólną dokładnością na poziomie systemu. W zastosowaniach o dużej gęstości kanałów zwiększona dokładność przekłada się na zmniejszenie różnic między kanałami i mniejszą liczbę cykli kalibracji. W rezultacie mamy oszczędność kosztów i zwiększenia wydajności testowania produktów.

Przełącznik ten może obsługiwać znacznie wyższe prądy, z parametrem technicznym do 850 mA na kanał. Zdolność ta jest szczególnie cenna w przypadku scenariuszy przełączania wysokich prądów. Jednak ważne jest, aby zarządzać ciepłem generowanym przez straty mocy w przełączniku, zwłaszcza w zastosowaniach o dużej gęstości kanałów, gdzie zarządzanie temperaturą może być wyzwaniem. Ponownie, niska rezystancja przełącznika odgrywa kluczową rolę w zmniejszeniu strat mocy (I² × R) w postaci ciepła. Funkcja ta zapewnia stabilność temperatury w systemie i pomaga zapobiegać problemom z przegrzaniem.

Tryb łańcuchowy

ADGS2414D obsługuje połączenie wielu układów w konfiguracji łańcuchowej, jak pokazano na rysunku 5. Wszystkie układy współdzielą wówczas te same linie CS, SCLK i VL. SDO jednego urządzenia tworzy połączenie z SDI następnego urządzenia, tworząc rejestr przesuwający. Pojedyncza 16-bitowa ramka SPI służy do wydawania polecenia wszystkim urządzeniom w łańcuchu, aby przeszły w tryb łańcuchowy. W tym trybie SDO jest wersją SDI opóźnioną o 8 cykli, dzięki czemu żądana konfiguracja przełącznika może być przekazywana z jednego urządzenia do następnego w łańcuchu.

Rys. 5. Dwa układy ADGS2414D w konfiguracji łańcuchowej

Funkcja wykrywania błędów

Błędy protokołu i komunikacji w SPI są wykrywane przez odpowiednie funkcje wykrywania błędów. Rozpoznawane są błędy nieprawidłowej liczby SCLK, nieprawidłowego adresu/zapisu oraz błędy CRC. Każda z funkcji wykrywania błędów może być włączona lub wyłączona za pomocą odpowiednich bitów w rejestrze konfiguracji błędów. Ponadto w rejestrze flag błędów znajduje się bit flagi błędu dla każdej z tych funkcji wykrywania błędów.

Wnioski

ADGS2414D oferuje przełomowe rozwiązanie w zakresie projektowania płytek drukowanych i technologii pomiarów elektronicznych. Jego innowacyjne wspólne umieszczanie elementów pasywnych, funkcja trasowania przez piny, interfejs SPI i niskie rezystancje przełączników przyczyniają się do znacznego zmniejszenia powierzchni płytki, zwiększenia gęstości kanałów i poprawy dokładności pomiarów. Dzięki zastosowaniu opakowania wieloukładowego zachowana została duża wydajność przełączników charakterystyczna dla produktów Analog Devices. Wraz z wprowadzeniem tego układu pojawia się nowe, innowacyjne rozwiązanie w zakresie precyzyjnych przełączników, które umożliwia znaczne zwiększenie gęstości kanałów przełączników.

autorzy: Edwin Omoruyi i Brendan Somers