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标题: 新一代PCI背板电源管理需求 [打印本页]

作者: admin 时间: 2014-10-11 13:23
标题: 新一代PCI背板电源管理需求
高速汇流排提高电源设计难度

   随着许多高速处理器、大容量硬碟和磁碟阵列、显示卡、乙太网路和光纤资料通信、以及存储器阵列等设备的通信速度不断加快，使用更快速的汇流排介面来符合其应用需求成为必要。

   现代半导体技术能制造出比以前更快的逻辑电路，但仅靠提高逻辑电路速度并不足以加快汇流排速度。汇流排架构工程师必须处理汇流排电容、因为信号线长度不同所造成的信号歪斜现象、难以预测的汇流排负载变化、以及系统零组件的误差。汇流排速度越快，电压就必须越精确。而这些问题都与俗称为I/O电源或VIO.的汇流排收发器电源供应习习相关，因此现代汇流排必须小心设计其电源才能有效发挥最大效能。

新旧PCI可相容

      回溯相容性是PCI汇流排的最大优势。PCI特别工作小组已发展出一套方法让PCI扩充槽能同时支援新型与旧规格的PCI电路板。早期的PCI电路板和PCI-X 1.0（又称为mode-1）电路板都使用3.3V VIO，而PCI-X 2.0 266MHz和533MHz（又称为mode-2）电路板使用的则是1.5V VIO电压。误用3.3V电源的mode-2电路板会发生故障；而误用1.5V电源的旧规格或mode-1电路板，则可能会没有足够的电压在汇流排产生逻辑 “1” 信号。

   原始的PCI标准是以不同的接脚边缘外形让5V和3.3V电路板共存，但这种做法无法提供回溯相容性。PCI-X 2.0则是借用现代高效能微处理器技术，也就是透过逻辑电路来选择电压（logic-selectable voltage）来解决此问题。

      PCI电路板连接座上有个称为PCIXCAP的PCI-X相容性接脚，PCI系统会利用系统电路板上的模拟数字转换器测量PCIXCAP的电压值以决定PCI电路板速度。传统PCI电路板会将PCIXCAP接地，使扩充槽控制器将汇流排速度限制在33MHz。PCI-X 66MHz电路板会在PCIXCAP接脚加上10kΩ下拉电阻，让PCI-X以66MHz速度操作；PCI-X 133MHz电路板则会让PCIXCAP处于浮动状态，以启动133MHz操作模式。

      这种技术还能根据PCIXCAP共用接脚电压来设定整个汇流排。比方说，只要有一张PCI电路板将PCIXCAP接地，整个汇流排就会使用33MHz；PCIXCAP接脚若处于浮动高电位，就表示所有PCI电路板皆为PCI-X 133MHz，使汇流排进入133MHz操作模式。若有部份电路板在PCIXCAP加上10kΩ下拉电阻，PCIXCAP接脚电压就会低于浮动状态的高电压，但仍高于接地电压，此时汇流排会在PCI-X 66MHz速率下操作。

      PCI-X 2.0定义两种新的下拉电阻值：PCI-X 266MHz的3.16kΩ以及PCI-X 533MHz的1.02kΩ，来进一步扩大此技术，使操作速度增加为五种。系统可以根据PCIXCAP模拟数字转换器所提供的资讯来设定汇流排速度与VIO电压。

      工程师还需解决许多其他问题才能完成64位元266MHz扩充槽实作。桥接技术速度虽然已能让一个桥接器支援6个32位元的66MHz PCI扩充槽，但目前仍只能处理2个64位元的133MHz PCI-X 1.0汇流排扩充槽；266MHz以上的PCI汇流排更要将桥接器直接连线至扩充槽，才能满足两者之间的超高资料速率要求。

PCI VIO规格

      使用3.3V或5V I/O电源和较慢的资料速率时，就算电源供应电压略有变动，PCI系统所输出的低电位和高电位电压仍能达到TTL规格要求。但如果VIO降到1.5V，资料速率又增加至266MHz以上，信号振幅范围将大幅缩小，信号稳定时间则相对变得更重要。

      PCI规格对于不同的VIO电压要求如下：

   PCI-X mode 1要求扩充槽和桥接器的3.3V VIO电压相差不能超过±100mV；这就表示桥接晶片的VIO电压必须在扩充槽VIO电压的100mV范围内，以便忍受电流感测电阻、独立的电源切换FET开关电晶体、和信号线的可能电压降。但若VIO电压为1.5V，扩充槽与桥接器的电压就不能相差超过±15mV；此时唯有让它们使用同一组电源，并以又短又粗的导线将其电源接点连接在一起，才能确保扩充槽与桥接器的电压相差在要求范围内。

      针对VIO电压的要求也带来了许多新限制。举例来说，桥接晶片必须能开启和关闭VIO电压，以及选择电压值在3.3V与1.5V之间。电源供应选择开关在提供电源给扩充槽负载（最高1.5A）和桥接晶片负载时（最高1.5A以上，视桥接晶片而定），其电压降不能超过±75mV。

VIO电源实作

      有些系统会用它的1.5V电源层，提供VIO电压给mode-2桥接器和PCI-X扩充槽。这些系统只要遵守下列简单规则，就能使用切换电路来提供VIO电压：

   1. 以宽而短的线路将VIO电压传送给桥接器和扩充槽；

   2. 略为提高1.5V电源层的电压；

   3. 使用导通阻抗极低的功率FET电晶体和电流感测元件；

   4. 在「阻隔串接线路」(blocking series connection）上，利用两颗FET开关电晶体将1.5V电源送到桥接器和扩充槽；如此一来，无论扩充槽电压为0V或3.3V，只要FET处于截止状态，就不会有电流从扩充槽通过FET的体二极管进入1.5V电源层。

      除了采用上述的切换电路之外，也能以1.8V电源供应器来提供VIO电压给mode-2扩充槽和桥接晶片，然后再利用低压降线性稳压器将1.8V降压至1.5V电压。这种做法可使用成本较低的FET电晶体，而对于电路板绕线要求也比较宽。比方说，设计人员可以使用UC382-1之类的低压降稳压元件，或图1所示的TPS2342热插拔电源控制器；此时功率FET将同时扮演电源选择器、稳压器、和热插拔电源开关等多种角色。

图1：采用TPS2342 PCI-X 2.0热插拔控制器的1.8V和3.3V VIO电压选择电路。它会在汇流排处于mode-2模式时，透过放大器驱动Q2和Q3，使+1.8V电压降为1.5V。

      扩充槽VIO接脚与元件15VIS接脚之间的连线极为重要；由于它同时担任着电流感测和稳压感测等功能，所以在绕线时需特别注意。

      若系统无法提供低电压电源，也能利用可程式交换式稳压器来提供VIO电压；例如使用可接受+12V输入电源的PTH05000 VRM稳压模组提供3.3V或1.5V电压，或是採用内建FET电晶体的TPS54310 SWIFT等交换式稳压元件。

热插拔电源控制

      PCI和PCI-X可广泛用于各种平台、笔记型电脑、桌上型电脑、伺服器和工业系统。笔记型电脑和桌上型电脑大都以PCI做为内部资料汇流排；外部装置连线则采用USB、Firewire、PCMCIA、Cardbus或是Express Card。这些装置都有自己的电源管理和装置热抽换（Hot Swap）协定。

      PCI和PCI-X也能在系统不关机时移除连接装置；这种热插拔（hot plug）功能是伺服器等高可用性（high-availability）系统，在不中断作业条件下进行维修服务的关键。设计人员必须利用系统驱动程式和硬件才能提供完整的PCI热插拔功能。

      PCI热插拔扩充槽的插座与传统PCI扩充槽完全相同；它上面也有电路板内锁开关、电路板服务要求按钮、以及标准的电路板状态指示灯。电路板的管理与控制是由标准热插拔控制器（Standard Hot Plug Controller，SHPC）负责；它会监测扩充槽开关、命令扩充槽启动或关闭电源、启动或关闭汇流排开关、将资料绕过已关闭电源的扩充槽、以及管理扩充槽指示灯的灯号状态。另一颗称为热插拔电源控制器（Hot Plug Power Controller，HPPC）的功率模拟元件则会负责切换扩充槽电源。

      HPPC可提供不同的电源和模拟功能；例如扩充槽开关的电压跳动消除（debouncing）和缓冲、电路板种类判断、选择适当的扩充槽VIO电压、切换扩充槽的+12V、+5V、+3.3V、Vaux和-12V电源、驱动扩充槽匯流排开关、以及驱动扩充槽指示灯。HPPC还可为每个汇流排电源提供限流功能，以防止故障电路板造成背板电源过载或电压下降。

      TPS2363热插拔电源控制器可为PCI Express提供热插拔功能。这颗元件可以切换两个扩充槽的Vaux、+3.3V和+12V主电源、监测两个扩充槽的内锁和服务要求开关；它还能在任何电源发生过载时，立即切断扩充槽连线以保护电源不受损害。

面对实际问题

      现代逻辑元件已能承受来自电源的大电流突波，开关速度更达到500ps以内。实际限流电路必须在必要时提供瞬间大电流，扩充槽电流达到危险水准一段时间后，也要能迅速切断扩充槽电源；否则激增的扩充槽电流可能导致背板电压下降，进而影响背板其它装置的正常作业。

      电流感测零件和导线的布局也很重要。图2是电流感测电阻与HPPM之间的较佳连接方式。

   图2：以Kelvin连线方式将电流感测电阻连接至电流感测电路，以避免大电流通过电路板线路时产生过多电压降。图中显示两种取代Kelvin连线的较佳方式。电路板的电流感测线路必须是间距极小的等长平行路径，以避免邻近大电流线路而产生磁耦合。为防止出现假的电流故障，设计人员应选择串联电感很小的电流感测电阻；这表示应避免使用含有钴、镍或铁的电阻。元件的3VS和3VIS接脚之间应连接一颗陶瓷电容，它能在假的电流故障出现时协助消除噪音。

      针对高密度的电路板零件布局，工程师应选择能直接放在PCI插座之间的高密度单列式功率封装（inline power package）。举例来说，TPS2343就采用80只接脚的TVSOP封装，其接脚末端宽度不到8.5釐米。

未来展望

      串列汇流排已开始出现在现代电子系统，并与传统并列汇流排分庭抗礼；这两种汇流排在短期内仍须携手共存。串列汇流排没有资料路径歪斜的问题，故能采用更弹性的绕线和连接座设计。接脚数目的减少使串列汇流排体积更为精巧；然而电源路径安排以及电源安全保护对于串列汇流排仍然极为重要。

      半导体技术虽可将更多功能整合至更低成本元件，连接座和其它机械零件却日益昂贵。现在正是串列汇流排取代并列汇流排的转折点。虽然PCI Express成本已降至PCI-X的水准，未来还会更低；但是PCI、PCI-X 1.0和PCI-X 2.0仍拥有低成本、回溯相容性、和易于实作等优势，这也意味着它们仍将在市场上风光一段时间。

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