利用先进封装和直通引脚提高开关通道密度

摘要

本文介绍了一款突破性的精密开关产品。这款产品旨在彻底化解需要高通道密度与高精度的印刷电路板(PCB)设计和电子测量系统所面临的挑战。这款开关采用创新的无源元件共封装方法，并具备直通引脚特性，不仅能显著优化PCB空间利用率，而且能大大提高开关通道密度。此外，得益于极低的导通电阻，测量精度得以提升，功耗有效降低，有利于系统层面的热管理。

引言

这款开关的主要创新之处在于，它巧妙地将无源元件和独立控制的开关与串行外设接口(SPI)集成在一起。通过将电阻和电容直接纳入开关封装中，设计人员可以获得大幅节省空间。这种设计架构能够大幅缩小电路板面积，最多减少80%，因此非常适合对空间要求极为严格的应用。

直通引脚特性为PCB设计人员带来了颠覆性的解决方案。这项特性允许SPI和电源走线直接高效地穿过开关布线，从而无需使用额外的过孔或复杂的布线配置。通过这种简化方案，不仅设计复杂性得以降低，而且开关通道密度得到大幅提高，使得创建更紧凑、更高性能的设计成为可能。

除了节省空间之外，这款开关的导通电阻也非常低，只有大约0.5 Ω。此特性对于提升测量精度和有效减少处理大电流时的发热量至关重要。凭借低导通电阻，这款器件能够在广泛的应用中实现出色的信号完整性和精度，包括自动测试设备和精密测量与控制系统。此外，低导通电阻改善了热阻，即使在变化的环境条件下，也能提供可靠、一致的性能。

通道数最大化所面临的挑战

当以通道数最大化为目标设计系统时，电路板空间就成为宝贵的资源。开关对于提高系统通道数量起着至关重要的作用，但随着开关数量的增加，电路板空间不仅要被开关本身占用，还要被正常运行所需的逻辑控制线和相关无源元件占用。结果，控制开关所需的额外元件占用了不少空间，导致可实现的通道数量减少。

传统开关解决方案

提高通道密度的一种常用解决方案是使用由SPI逻辑接口控制的开关，例如八通道SPI开关ADG1414。这种架构相比并行接口有明显的优势，因为它只需要四条GPIO线即可实现，并且只使用标准微控制器的一个SPI端口。对于包含大量开关的系统，可以利用器件提供的菊花链功能来同时控制所有器件。图1展示了以菊花链模式配置的25个ADG1414器件控制200个LED的示例。此外还需要三个去耦电容和一个上拉电阻以确保电路正常工作。这种实现方案需要布置125个元件，占用约2600 mm2的电路板面积。

图1.搭载25个ADG1414器件的PCB布局示例

先进封装

通过将无源元件直接集成到开关封装中（如图2所示），设计人员可以大幅节省空间。ADGS2414D集成了用于VDD、VSS和RESET/VL电源引脚的去耦电容，因此不需要外部去耦电容。SDO引脚的上拉电阻也集成于其中。再结合开关电路的多芯片堆叠，这款开关的整体尺寸得以显著缩小，采用4 mm × 5 mm LGA封装。

图2.ADI公司创新的堆叠式三芯片解决方案

直通引脚

当系统中使用多个器件时，借助直通引脚特性可以实现更紧凑的布局并提高通道密度。此特性有助于电源和数字线路在器件之间无缝传输。封装的顶部和底部引脚均提供VDD、RESET/VL、GND电源线和SCLK、CS、SDI、SDO数字线。直通引脚简化了PCB布线，并减少了连接多个器件时对过孔的需求。图3展示了一个PCB布局示例，其中四个以菊花链模式配置的ADGS2414D器件利用直通引脚特性，使布局的整体尺寸大大缩小。

图3.使用直通引脚特性的PCB布局示例

ADI开关解决方案

如前所述，图1所示的常见开关解决方案需要布置125个元件，占用约2600 mm2的电路板面积。采用创新的无源元件共封装和八通道开关的直通引脚特性，可以实现密度显著提高的新型PCB设计。图4展示了同样的场景，25个ADGS2414D开关控制200个LED。借助菊花链功能，同样可以同时控制所有器件。值得注意的是，这种布局没有无源元件，因此开关可以紧密排布，两侧上器件之间的典型间距为1 mm。此设计仅需布置25个器件，电路板面积约为800 mm2，减少了70%。除了节省电路板面积外，还减少了100个无源元件，从而大大节省了制造成本，并提高了产品质量和可靠性。

图4.搭载25个器件的PCB布局示例

低导通电阻

除了节省空间外，ADGS2414D还拥有出色的低开关导通电阻，典型值为0.5 Ω。这种低电阻可最大限度地减少测量信号链中的电压降(I×R)，从而提高系统层面的整体精度。在高通道密度的应用中，更高的精度意味着通道间差异更小，校准频率更低，进而降低成本并提高产品测试良率。

这款开关可以处理高得多的开关电流，每通道的电流高达850 mA。在处理大电流切换场景时，这项能力尤其重要。除此之外，管理开关中因功率损耗而产生的热量也非常重要，特别是在高通道密度应用中，热管理可能是一个难题。对此，低开关导通电阻的作用再次凸显，以热量形式损失的功率(I2 × R)因为低导通电阻而大大降低。此特性可确保系统内部的温度稳定性，并有助于防止过热问题。

菊花链模式

ADGS2414D支持多个器件通过菊花链配置进行连接，如图5所示。在这种设置中，所有器件共用相同的CS、SCLK和VL线。一个器件的SDO连接到下一个器件的SDI，形成一个移位寄存器。利用单个16位SPI帧指令菊花链中的所有器件进入菊花链模式。在此模式下，SDO是SDI的8周期延迟版本，故期望的开关配置可以从菊花链中的一个器件传递到另一个器件。

图5.采用菊花链配置的两个ADGS2414D器件

错误检测功能

SPI上的协议错误和通信错误均可被检测出来。有三种错误检测功能：SCLK计数错误检测、无效读取/写入地址错误检测和CRC错误检测。每种错误检测功能都可以利用错误配置寄存器中的相应使能位来使能或禁用。此外，在错误标志寄存器中，每种错误检测功能都有一个对应的错误标志位。

结论

ADGS2414D为PCB设计和电子测量技术带来了突破性的解决方案，具有创新的无源元件共封装、直通引脚特性、SPI接口和低导通电阻，有助于大幅缩小电路板面积、提高通道密度并提升测量精度。由于采用多芯片封装，ADI公司当前开关产品的出色开关性能得以传承到新产品。这款器件的推出标志着创新的精密开关解决方案得以问世，能够显著提高开关通道密度。