新一代PCI背板的電源管理需求

高速總線提高電源設(shè)計(jì)難度
　　隨著許多高速處理器、大容量硬盤和磁盤陣列、顯示卡、以太網(wǎng)絡(luò)和光纖數(shù)據(jù)通訊、以及內(nèi)存數(shù)組等設(shè)備通訊速度不斷加快，使用更快速總線接口來符合其應(yīng)用需求成為必要。
　　現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)能制造出比以前更快邏輯電路，但僅靠提高邏輯電路速度并不足以加快總線速度?？偩€架構(gòu)工程師必須處理總線電容、因?yàn)橛嵦?hào)線長(zhǎng)度不同所造成訊號(hào)歪斜現(xiàn)象、難以預(yù)測(cè)總線負(fù)載變化、以及系統(tǒng)零組件誤差?？偩€速度越快，電壓就必須越精確。而這些問題都與俗稱為I/O電源或VIO.總線收發(fā)器電源供應(yīng)習(xí)習(xí)相關(guān)，因此現(xiàn)代總線必須小心設(shè)計(jì)其電源才能有效發(fā)揮最大效能。
　　新舊PCI可相容
　　回溯兼容性是PCI總線最大優(yōu)勢(shì)。PCI特別工作小組已發(fā)展出一套方法讓PCI擴(kuò)充槽能同時(shí)支持新型與舊規(guī)格PCI電路板。早期PCI電路板和PCI-X 1.0（又稱為mode-1）電路板都使用3.3V VIO，而PCI-X 2.0 266MHz和533MHz（又稱為mode-2）電路板使用則是1.5V VIO電壓。誤用3.3V電源mode-2電路板會(huì)發(fā)生故障；而誤用1.5V電源舊規(guī)格或mode-1電路板，則可能會(huì)沒有足夠電壓在總線產(chǎn)生邏輯 “1” 訊號(hào)。
　　原始PCI標(biāo)準(zhǔn)是以不同接腳邊緣外形讓5V和3.3V電路板共存，但這種做法無法提供回溯兼容性。PCI-X 2.0則是借用現(xiàn)代高效能微處理器技術(shù)，也就是透過邏輯電路來選擇電壓（logic-selectable voltage）來解決此問題。
　　PCI電路板連接座上有個(gè)稱為PCIXCAPPCI-X兼容性接腳，PCI系統(tǒng)會(huì)利用系統(tǒng)電路板上模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器測(cè)量PCIXCAP電壓值以決定PCI電路板速度。傳統(tǒng)PCI電路板會(huì)將PCIXCAP接地，使擴(kuò)充槽控制器將總線速度限制在33MHz。PCI-X 66MHz電路板會(huì)在PCIXCAP接腳加上10kΩ下拉電阻，讓PCI-X以66MHz速度操作；PCI-X 133MHz電路板則會(huì)讓PCIXCAP處于浮動(dòng)狀態(tài)，以啟動(dòng)133MHz操作模式。
　　這種技術(shù)還能根據(jù)PCIXCAP共享接腳電壓來設(shè)定整個(gè)總線。比方說，只要有一張PCI電路板將PCIXCAP接地，整個(gè)總線就會(huì)使用33MHz；PCIXCAP接腳若處于浮動(dòng)高電位，就表示所有PCI電路板皆為PCI-X 133MHz，使總線進(jìn)入133MHz操作模式。若有部份電路板在PCIXCAP加上10kΩ下拉電阻，PCIXCAP接腳電壓就會(huì)低于浮動(dòng)狀態(tài)高電壓，但仍高于接地電壓，此時(shí)總線會(huì)在PCI-X 66MHz速率下操作。
　　PCI-X 2.0定義兩種新下拉電阻值：PCI-X 266MHz3.16kΩ以及PCI-X 533MHz1.02kΩ，來進(jìn)一步擴(kuò)大此技術(shù)，使操作速度增加為五種。系統(tǒng)可以根據(jù)PCIXCAP模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器所提供信息來設(shè)定總線速度與VIO電壓。
　　工程師還需解決許多其它問題才能完成64位266MHz擴(kuò)充槽實(shí)作。橋接技術(shù)速度雖然已能讓一個(gè)橋接器支持6個(gè)32位66MHz PCI擴(kuò)充槽，但目前仍只能處理2個(gè)64位133MHz PCI-X 1.0總線擴(kuò)充槽；266MHz以上PCI總線更要將橋接器直接聯(lián)機(jī)至擴(kuò)充槽，才能滿足兩者之間超高數(shù)據(jù)速率要求。
　　PCI VIO規(guī)格
　　使用3.3V或5V I/O電源和較慢數(shù)據(jù)速率時(shí)，就算電源供應(yīng)電壓略有變動(dòng)，PCI系統(tǒng)所輸出低電位和高電位電壓仍能達(dá)到TTL規(guī)格要求。但如果VIO降到1.5V，數(shù)據(jù)速率又增加至266MHz以上，訊號(hào)振幅范圍將大幅縮小，訊號(hào)穩(wěn)定時(shí)間則相對(duì)變得更重要。
　　PCI規(guī)格對(duì)于不同VIO電壓要求如下：
　　供應(yīng)電壓
　　供應(yīng)電壓
　　誤差范圍
　　供應(yīng)電壓
　　誤差范圍
　　最大負(fù)載
　　電流
　　擴(kuò)充槽與橋接器電壓差異
　　擴(kuò)充槽與橋接器電壓差異
　　5V
　　±5%
　　±250mV
　　5A
　　未指定
　　未指定
　　3.3V
　　±9.1%
　　±300mV
　　7.6A
　　±3%
　　±100mV
　　1.5V
　　±5%
　　±75mV
　　1.5A
　　±1%
　　±15mV
　　PCI-X mode 1要求擴(kuò)充槽和橋接器3.3V VIO電壓相差不能超過±100mV；這就表示橋接芯片VIO電壓必須在擴(kuò)充槽VIO電壓100mV范圍內(nèi)，以便忍受電流感測(cè)電阻、獨(dú)立電源切換FET開關(guān)晶體管、和訊號(hào)線可能電壓降。但若VIO電壓為1.5V，擴(kuò)充槽與橋接器電壓就不能相差超過±15mV；此時(shí)唯有讓它們使用同一組電源，并以又短又粗導(dǎo)線將其電源接點(diǎn)連接在一起，才能確保擴(kuò)充槽與橋接器電壓相差在要求范圍內(nèi)。
　　針對(duì)VIO電壓要求也帶來了許多新限制。舉例來說，橋接芯片必須能開啟和關(guān)閉VIO電壓，以及選擇電壓值在3.3V與1.5V之間。電源供應(yīng)選擇開關(guān)在提供電源給擴(kuò)充槽負(fù)載（最高1.5A）和橋接芯片負(fù)載時(shí)（最高1.5A以上，視橋接芯片而定），其電壓降不能超過±75mV。
　　VIO電源實(shí)作
　　有些系統(tǒng)會(huì)用它1.5V電源層，提供VIO電壓給mode-2橋接器和PCI-X擴(kuò)充槽。這些系統(tǒng)只要遵守下列簡(jiǎn)單規(guī)則，就能使用切換電路來提供VIO電壓：
　　1. 以寬而短線路將VIO電壓傳送給橋接器和擴(kuò)充槽；
　　2. 略為提高1.5V電源層電壓；
　　3. 使用導(dǎo)通阻抗極低功率FET晶體管和電流感測(cè)組件；
　　4. 在「阻隔串接線路」(blocking series connection）上，利用兩顆FET開關(guān)晶體管將1.5V電源送到橋接器和擴(kuò)充槽；如此一來，無論擴(kuò)充槽電壓為0V或3.3V，只要FET處于截止?fàn)顟B(tài)，就不會(huì)有電流從擴(kuò)充槽通過FET體二極管進(jìn)入1.5V電源層。
　　除了采用上述切換電路之外，也能以1.8V電源供應(yīng)器來提供VIO電壓給mode-2擴(kuò)充槽和橋接芯片，然后再利用低壓降線性穩(wěn)壓器將1.8V降壓至1.5V電壓。這種做法可使用成本較低FET晶體管，而對(duì)于電路板繞線要求也比較寬。比方說，設(shè)計(jì)人員可以使用UC382-1之類低壓降穩(wěn)壓組件，此時(shí)功率FET將同時(shí)扮演電源選擇器、穩(wěn)壓器、和熱插拔電源開關(guān)等多種角色。
　　擴(kuò)充槽VIO接腳與組件15VIS接腳之間聯(lián)機(jī)極為重要；由于它同時(shí)擔(dān)任著電流感測(cè)和穩(wěn)壓感測(cè)等功能，所以在繞線時(shí)需特別注意。
　　若系統(tǒng)無法提供低電壓電源，也能利用可程序交換式穩(wěn)壓器來提供VIO電壓；例如使用可接受 12V輸入電源PTH05000 VRM穩(wěn)壓模塊提供3.3V或1.5V電壓，或是采用內(nèi)建FET晶體管TPS54310 SWIFT等交換式穩(wěn)壓組件。
　　熱插拔電源控制
　　PCI和PCI-X可廣泛用于各種平臺(tái)、筆記型計(jì)算機(jī)、桌上型計(jì)算機(jī)、服務(wù)器和工業(yè)系統(tǒng)。筆記型計(jì)算機(jī)和桌上型計(jì)算機(jī)大都以PCI做為內(nèi)部數(shù)據(jù)總線；外部裝置聯(lián)機(jī)則采用USB、Firewire、PCMCIA、Cardbus或是Express Card。這些裝置都有自己電源管理和裝置熱抽換（Hot Swap）協(xié)議。
　　PCI和PCI-X也能在系統(tǒng)不關(guān)機(jī)時(shí)移除連接裝置；這種熱插拔（hot plug）功能是服務(wù)器等高可用性（high-availability）系統(tǒng)，在不中斷作業(yè)條件下進(jìn)行維修服務(wù)關(guān)鍵。設(shè)計(jì)人員必須利用系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序和硬件才能提供完整PCI熱插拔功能。
　　PCI熱插拔擴(kuò)充槽插座與傳統(tǒng)PCI擴(kuò)充槽完全相同；它上面也有電路板內(nèi)鎖開關(guān)、電路板服務(wù)要求按鈕、以及標(biāo)準(zhǔn)電路板狀態(tài)指示燈。電路板管理與控制是由標(biāo)準(zhǔn)熱插拔控制器（Standard Hot Plug Controller，SHPC）負(fù)責(zé)；它會(huì)監(jiān)測(cè)擴(kuò)充槽開關(guān)、命令擴(kuò)充槽啟動(dòng)或關(guān)閉電源、啟動(dòng)或關(guān)閉總線開關(guān)、將數(shù)據(jù)繞過已關(guān)閉電源擴(kuò)充槽、以及管理擴(kuò)充槽指示燈燈號(hào)狀態(tài)。另一顆稱為熱插拔電源控制器（Hot Plug Power Controller，HPPC）功率模擬組件則會(huì)負(fù)責(zé)切換擴(kuò)充槽電源。
　　HPPC可提供不同電源和模擬功能；例如擴(kuò)充槽開關(guān)電壓跳動(dòng)消除（debouncing）和緩沖、電路板種類判斷、選擇適當(dāng)擴(kuò)充槽VIO電壓、切換擴(kuò)充槽 12V、 5V、 3.3V、Vaux和-12V電源、驅(qū)動(dòng)擴(kuò)充槽總線開關(guān)、以及驅(qū)動(dòng)擴(kuò)充槽指示燈。HPPC還可為每個(gè)總線電源提供限流功能，以防止故障電路板造成背板電源過載或電壓下降。
　　TPS2363熱插拔電源控制器可為PCI Express提供熱插拔功能。這顆組件可以切換兩個(gè)擴(kuò)充槽Vaux、 3.3V和 12V主電源、監(jiān)測(cè)兩個(gè)擴(kuò)充槽內(nèi)鎖和服務(wù)要求開關(guān)；它還能在任何電源發(fā)生過載時(shí)，立即切斷擴(kuò)充槽聯(lián)機(jī)以保護(hù)電源不受損害。
　　面對(duì)實(shí)際問題
　　現(xiàn)代邏輯組件已能承受來自電源大電流突波，開關(guān)速度更達(dá)到500ps以內(nèi)。實(shí)際限流電路必須在必要時(shí)提供瞬間大電流，擴(kuò)充槽電流達(dá)到危險(xiǎn)水平一段時(shí)間后，也要能迅速切斷擴(kuò)充槽電源；否則激增擴(kuò)充槽電流可能導(dǎo)致背板電壓下降，進(jìn)而影響背板其它裝置正常作業(yè)。
　　電流感測(cè)零件和導(dǎo)線布局也很重要。針對(duì)高密度電路板零件布局，工程師應(yīng)選擇能直接放在PCI插座之間高密度單列式功率封裝（inline power package）。舉例來說，TPS2343就采用80只接腳TVSOP封裝，其接腳末端寬度不到8.5厘米。
　　串行總線已開始出現(xiàn)在現(xiàn)代電子系統(tǒng)，并與傳統(tǒng)并列總線分庭抗禮；這兩種總線在短期內(nèi)仍須攜手共存。串行總線沒有數(shù)據(jù)路徑歪斜問題，故能采用更彈性繞線和連接座設(shè)計(jì)。接腳數(shù)目減少使串行總線體積更為精巧；然而電源路徑安排以及電源安全保護(hù)對(duì)于串行總線仍然極為重要。
　　半導(dǎo)體技術(shù)雖可將更多功能整合至更低成本組件，連接座和其它機(jī)械零件卻日益昂貴。現(xiàn)在正是串行總線取代并列總線轉(zhuǎn)折點(diǎn)。雖然PCI Express成本已降至PCI-X水平，未來還會(huì)更低；但是PCI、PCI-X 1.0和PCI-X 2.0仍擁有低成本、回溯兼容性、和易于實(shí)作等優(yōu)勢(shì)，這也意味著它們?nèi)詫⒃谑袌?chǎng)上風(fēng)光一段時(shí)間。