【導讀】在現代電子測試、半導體驗證及高精度數據采集系統中，工程師們持續(xù)面臨著一個核心矛盾：如何在有限的空間內集成更多的開關通道，同時不犧牲信號完整性、測量精度與系統散熱能力？傳統的分立開關方案已觸及 PCB 布局與熱管理的瓶頸。為此，一款采用革命性無源元件共封裝與直通引腳設計的精密開關應運而生。它并非簡單的組件迭代，而是從封裝架構層面進行的系統性創(chuàng)新，旨在同時攻克高通道密度、卓越信號保真度與高效散熱三大難題，為下一代高密度、高精度電子系統提供了顛覆性的硬件解決方案。
摘要
在現代電子測試、半導體驗證及高精度數據采集系統中，工程師們持續(xù)面臨著一個核心矛盾：如何在有限的空間內集成更多的開關通道，同時不犧牲信號完整性、測量精度與系統散熱能力？傳統的分立開關方案已觸及 PCB 布局與熱管理的瓶頸。為此，一款采用革命性無源元件共封裝與直通引腳設計的精密開關應運而生。它并非簡單的組件迭代，而是從封裝架構層面進行的系統性創(chuàng)新，旨在同時攻克高通道密度、卓越信號保真度與高效散熱三大難題，為下一代高密度、高精度電子系統提供了顛覆性的硬件解決方案。
引言
這款開關的主要創(chuàng)新之處在于，它巧妙地將無源元件和獨立控制的開關與串行外設接口(SPI)集成在一起。通過將電阻和電容直接納入開關封裝中，設計人員可以獲得大幅節(jié)省空間。這種設計架構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用。
直通引腳特性為PCB設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布線，從而無需使用額外的過孔或復雜的布線配置。通過這種簡化方案，不僅設計復雜性得以降低，而且開關通道密度得到大幅提高，使得創(chuàng)建更緊湊、更高性能的設計成為可能。
除了節(jié)省空間之外，這款開關的導通電阻也非常低，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)熱量至關重要。憑借低導通電阻，這款器件能夠在廣泛的應用中實現出色的信號完整性和精度，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(huán)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(zhàn)
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。開關對于提高系統通道數量起著至關重要的作用，但隨著開關數量的增加，電路板空間不僅要被開關本身占用，還要被正常運行所需的邏輯控制線和相關無源元件占用。結果，控制開關所需的額外元件占用了不少空間，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邏輯接口控制的開關，例如八通道SPI開關ADG1414。這種架構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，并且只使用標準微控制器的一個SPI端口。對于包含大量開關的系統，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封裝中（如圖2所示），設計人員可以大幅節(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。再結合開關電路的多芯片堆疊，這款開關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
當系統中使用多個器件時，借助直通引腳特性可以實現更緊湊的布局并提高通道密度。此特性有助于電源和數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開關解決方案
如前所述，圖1所示的常見開關解決方案需要布置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的直通引腳特性，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。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，因此開關可以緊密排布，兩側上器件之間的典型間距為1 mm。此設計僅需布置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，并提高了產品質量和可靠性。
圖4.搭載25個器件的PCB布局示例
低導通電阻
除了節(jié)省空間外，ADGS2414D還擁有出色的低開關導通電阻，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)，從而提高系統層面的整體精度。在高通道密度的應用中，更高的精度意味著通道間差異更小，校準頻率更低，進而降低成本并提高產品測試良率。
這款開關可以處理高得多的開關電流，每通道的電流高達850 mA。在處理大電流切換場景時，這項能力尤其重要。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凸顯，以熱量形式損失的功率(I2 × R)因為低導通電阻而大大降低。此特性可確保系統內部的溫度穩(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使能位來使能或禁用。此外，在錯誤標志寄存器中，每種錯誤檢測功能都有一個對應的錯誤標志位。
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(chuàng)新的無源元件共封裝、直通引腳特性、SPI接口和低導通電阻，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公司當前開關產品的出色開關性能得以傳承到新產品。這款器件的推出標志著創(chuàng)新的精密開關解決方案得以問世，能夠顯著提高開關通道密度。
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