下一代PCI底板的獨(dú)特電源管理要求

速度要求

我們之所以需要速度更快的總線(xiàn)，原因有很多：更快的處理器、更快及容量更大的磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器以及由這些驅(qū)動(dòng)器所組成的磁盤(pán)陣列、更快的顯示適配器、更快的以太網(wǎng)與光纖數(shù)據(jù)通信以及更快的存儲(chǔ)器陣列等。

現(xiàn)代ic處理可產(chǎn)生比以往任何時(shí)候都要快的邏輯，但更快的邏輯還不足以形成更快的總線(xiàn)?？偩€(xiàn)架構(gòu)師必須處理總線(xiàn)電容，由不同走線(xiàn)長(zhǎng)度所導(dǎo)致的信號(hào)偏移，不可預(yù)測(cè)的總線(xiàn)負(fù)載以及系統(tǒng)總?cè)莶畹?。此外，總線(xiàn)速度增加還會(huì)導(dǎo)致電壓擺幅減小，所有這一切都與總線(xiàn)收發(fā)器電源（稱(chēng)為i/o電源或vio）密切相關(guān)。要想從現(xiàn)代總線(xiàn)上獲得最佳性能，就必須仔細(xì)設(shè)計(jì)這種電源。

pci總線(xiàn)的最大長(zhǎng)處是允許向后兼容。pci特別興趣組 (sig) 提出以下建議，即：允許新板與舊板共用同一插槽。傳統(tǒng)pci板與pci-x 1.0（亦稱(chēng)為模式-1）板要求使用3.3v vio，而pci-x 2.0 266mhz 及 533mhz（亦稱(chēng)為模式-2）板則要求使用1.5v vio。如果將3.3v運(yùn)用于模式-2板，則該板肯定會(huì)損壞。而如果將1.5v運(yùn)用于傳統(tǒng)pci或模式-1板，則該板將沒(méi)有足夠的驅(qū)動(dòng)以在總線(xiàn)上產(chǎn)生邏輯“1”信號(hào)。

最初的pci標(biāo)準(zhǔn)允許5v及3.3v卡通過(guò)在卡邊緣連接器上使用特殊切斷與按鍵來(lái)共處。但切斷與按鍵解決方案不能提供向后兼容性。相反，pci-x 2.0則采用從現(xiàn)代高性能微處理器上假借來(lái)的技術(shù)，即：邏輯可選電壓。

pci系統(tǒng)通過(guò)用系統(tǒng)板上的a/d轉(zhuǎn)換器測(cè)量適配卡連接器pcixcap的pci-x終端上的電壓來(lái)決定適配卡的速度，傳統(tǒng)pci卡將pcixcap接地，因此這樣可以通知插槽控制器將總線(xiàn)速度限制在33mhz上。pci-x 66mhz卡在pcixcap上有一個(gè)10k 的下拉電阻，使pci-x在66mhz速度上工作。pci-x 133mhz卡使pcixcap處于浮動(dòng)狀態(tài)，故可在133mhz速度上工作。

該技術(shù)的另一優(yōu)勢(shì)是可通過(guò)一條共用pcixcap線(xiàn)上的電壓來(lái)對(duì)整個(gè)總線(xiàn)進(jìn)行編程。如果插入到總線(xiàn)上的任何卡使pcixcap接地，則整個(gè)總線(xiàn)速度將降至33mhz。如果pcixcap浮動(dòng)為高，則所有插入的卡均必須為pci-x 133mhz卡，從而能在133mhz速度上工作。如果其中一或兩個(gè)卡使用10k 電阻下拉pcixcap，則pcixcap上的電壓將低于其浮動(dòng)時(shí)的電壓，但仍會(huì)高于接地時(shí)的電壓，此時(shí)總線(xiàn)會(huì)在pci-x 66mhz上工作。

pci-x 2.0通過(guò)定義兩個(gè)新的下拉電阻而擴(kuò)展了這種技術(shù)：3.16k 電阻用于支持pci-x 266mhz，1.02k 電阻用于支持pci-x 533mhz，總共可支持5種不同工作速度。根據(jù)來(lái)自pcixcap a/d轉(zhuǎn)換器的信息，系統(tǒng)可確定總線(xiàn)速度和vio。

實(shí)現(xiàn)266mhz 64位插槽還有其他一些挑戰(zhàn)。橋技術(shù)具有足夠快的速度，因此一個(gè)橋最多可支持6個(gè)32位66mhz pci插槽。對(duì)于64位133mhz pci-x 1.0總線(xiàn)而言，一個(gè)橋只能處理兩個(gè)插槽。在266mhz和更高速度情況下，橋和插槽之間的高數(shù)據(jù)速率要求在橋和插槽之間有一個(gè)單獨(dú)和直接的連接。

pci vio 規(guī)范

在i/o電源電壓為3.3v或5v且數(shù)據(jù)速率較低的情況下，即使電源電壓有一些變化，低輸出電壓和高輸出電壓也足以滿(mǎn)足ttl電平指標(biāo)。但當(dāng)將vio設(shè)置為1.5v，并將數(shù)據(jù)速率增加到266mhz或更高速率時(shí)，信號(hào)擺幅將會(huì)減少且設(shè)置時(shí)間變得更為關(guān)鍵。

用于vio的不同電源電壓的pci規(guī)范如表1。

對(duì)于pci-x模式1工作，插槽與橋之間的3.3v vio匹配要求為 100mv，這意味著橋芯片vio上的電壓必須處于該插槽的vio的100mv范圍以?xún)?nèi)。這將允許檢流電阻、單獨(dú)的電源開(kāi)關(guān)fet與走線(xiàn)上壓降有足夠大的容差。但對(duì)于1.5v工作，插槽與橋之間只允許有 15mv的偏差，因此保持插槽vio和橋vio之間緊密匹配的唯一可行策略是，插槽與橋采用相同的饋電并使用一根短而粗的導(dǎo)線(xiàn)來(lái)連接這兩個(gè)點(diǎn)。

這樣做會(huì)帶來(lái)許多新的要求。橋芯片必須允許接通或切斷vio，且允許vio在3.3v與1.5v之間切換。當(dāng)提供插槽負(fù)載（可達(dá)1.5a）及橋芯片負(fù)載（根據(jù)橋芯片，最大可超過(guò)1.5a）時(shí)，電源選擇開(kāi)關(guān)上的壓降必須小于 75mv。

vio實(shí)現(xiàn)

一些系統(tǒng)擁有可為模式-2橋和pci-x插槽提供vio的1.5v的電源面。在這些系統(tǒng)中，如果遵循以下幾個(gè)特別注意事項(xiàng)，則可采用“開(kāi)關(guān)連接”：

（1）通過(guò)一根寬而短的走線(xiàn)將vio連線(xiàn)到橋；

（2）為1.5v電源面規(guī)定一個(gè)稍高些的電壓；

（3）采用極低導(dǎo)通電阻電源fet和檢流器件；

（4）在“分塊串行連接”中使用兩個(gè)開(kāi)關(guān)fet將1.5v電源面連接到橋和插槽，使得當(dāng)關(guān)斷fet時(shí)，無(wú)論插槽電壓為0v還是3.3v，都沒(méi)有電流可通過(guò)fet的體二極管從插槽流至1.5v電源面。

“開(kāi)關(guān)連接”的一種實(shí)用替代方法是由1.8v電源來(lái)為模式-2插槽和橋vio供電，并使用一個(gè)低壓降線(xiàn)性調(diào)整器將1.8v降低為恰好1.5v。在此可選方法中，可使用成本更低的fet，并且走線(xiàn)更加寬松。這可用一個(gè)低壓差調(diào)整器 (ldo) ic（如uc382-1）或用圖1所示的tps2342熱插拔電源控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)。這里，功率fet起到多種作用：電源選擇器、調(diào)整器，并且還可以為熱插拔斷開(kāi)插槽電源。

圖1是一種基于tps2342 pci-x 2.0熱插拔控制器、采用1.8v和3.3v電源的實(shí)用vio選擇系統(tǒng)。q2和q3由一個(gè)放大器驅(qū)動(dòng)，并且當(dāng)總線(xiàn)以模式2工作時(shí)將+1.8v電源下調(diào)至1.5v。

從插槽vio到集成電路15vis終端的連接非常重要，且具有電流檢測(cè)和電壓調(diào)整檢測(cè)雙重功能，因此必須對(duì)此連接仔細(xì)地布線(xiàn)。

如果不能容易地得到電壓電源，則可以用一個(gè)可編程開(kāi)關(guān)調(diào)整器（如pth05000 vrm，它接受+12v輸入電壓并輸出3.3v或1.5v）或用一個(gè)開(kāi)關(guān)調(diào)整器ic（如tps54310 swift“帶集成fet的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)”）來(lái)提供vio。

熱插拔

pci和pci-x可以在所有平臺(tái)、筆記本電腦、臺(tái)式機(jī)、服務(wù)器及工業(yè)系統(tǒng)上使用。筆記本電腦和臺(tái)式計(jì)算機(jī)利用pci作為內(nèi)部數(shù)據(jù)總線(xiàn)，但須靠usb、firewire、pcmcia、cardbus及expresscard連接至外部設(shè)備上。每種總線(xiàn)都擁有其各自用于電源管理和設(shè)備重連接或“熱切換”的協(xié)議。
也可以將pci及pci-x配置成無(wú)需關(guān)閉系統(tǒng)即可撤除設(shè)備，即所謂的“熱插拔”。熱插拔對(duì)于確保服務(wù)器等高可用性系統(tǒng)在不中斷系統(tǒng)工作的前提下完成服務(wù)至關(guān)重要。pci熱插拔的完全實(shí)現(xiàn)還包括系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序及相關(guān)硬件。

pci熱插拔插槽使用與傳統(tǒng)pci插槽一樣的連接器，并且還包括一個(gè)板互鎖開(kāi)關(guān)、一個(gè)板服務(wù)請(qǐng)求按鍵標(biāo)準(zhǔn)的板狀態(tài)指示燈。一個(gè)稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)熱插拔控制器 (shpc) 的芯片負(fù)責(zé)管理和控制電路板。shpc監(jiān)視插槽開(kāi)關(guān)、控制插槽電源通/斷、啟用或禁用總線(xiàn)切換、將數(shù)據(jù)從斷電的插槽傳輸出去，以及管理插槽指示燈狀態(tài)。一個(gè)稱(chēng)為熱插拔電源控制器 (hppc) 的電源管理ic負(fù)責(zé)插槽電源的切換。

hppc可包含各種電源和模擬功能，如消除和緩沖插槽切換的抖動(dòng)，確定插入板的類(lèi)型，為插槽選擇合適的vio，將+12v、+5v、+3.3v、vaux和 12v電源切換給插槽，驅(qū)動(dòng)插槽總線(xiàn)開(kāi)關(guān)以及驅(qū)動(dòng)插槽指示燈等。hppc還為每個(gè)插槽電源提供電流限制，因此可避免有缺陷的插板使底板電源過(guò)載或下降。

利用tps2363熱插拔電源控制器，還可將pci-express配置成熱插拔。tps2363 hppc能給兩個(gè)插槽切換vaux、+3.3v和+12v主電源，監(jiān)視兩個(gè)插槽的互鎖狀況與兩個(gè)插槽的服務(wù)請(qǐng)求開(kāi)關(guān)，并當(dāng)有任何電源軌過(guò)載時(shí)通過(guò)立即斷開(kāi)插槽來(lái)保持電源的完整性。

實(shí)用問(wèn)題

現(xiàn)代邏輯電路的開(kāi)關(guān)時(shí)間可小于500ps，并從電源軌上拽取很高的浪涌電流。實(shí)用限流電路必須能在需要時(shí)提供高電流浪涌，并當(dāng)插槽電流持續(xù)處于危險(xiǎn)電平時(shí)快速切斷插槽。否則，插槽浪涌將可能引起底板電壓跌落而干擾底板上其他器件（設(shè)備）的正常工作。

檢流元件及走線(xiàn)的布局也非常關(guān)鍵。圖2給出了一種將檢流電阻與hppm連接的較好實(shí)用方法。

圖2是用“開(kāi)爾文”連接將檢流電阻與檢流電路相連，這樣電路板走線(xiàn)中的高電流不至于引起不希望的額外壓降。本示意圖顯示兩種較好的“開(kāi)爾文”連接。檢流電路板走線(xiàn)必須平行、間隔很近且長(zhǎng)度相等，以抑制來(lái)自相鄰高電流走線(xiàn)的磁耦合。檢流電阻必須選擇為具有低串聯(lián)電感，以避免出現(xiàn)虛假電流故障。應(yīng)避免使用含有鈷、鎳或鐵元素的電阻。

此外，可以在ic上提供一個(gè)從3vs到3vis的陶瓷電容。如果出現(xiàn)虛假限流故障，則可插入該元件，作為一種用于降噪的附加措施。
對(duì)于密度最高的電路板布局，可選擇采用（可置于pci連接器之間的）高密度內(nèi)聯(lián)電源封裝的ic 。例如，tps2343即采用80引腳tvsop封裝，其引腳頂端處的寬度小于8.5mm。

未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

在使用傳統(tǒng)并行總線(xiàn)的同時(shí)，串行總線(xiàn)開(kāi)始在現(xiàn)代系統(tǒng)中出現(xiàn)。在可預(yù)見(jiàn)的將來(lái)，這兩類(lèi)總線(xiàn)將共存。串行總線(xiàn)由于不受數(shù)據(jù)路徑偏斜的限制，故使走線(xiàn)與連接器設(shè)計(jì)更加靈活。此外，串行總線(xiàn)所需的連接器引腳數(shù)更少，因此能更加緊湊。但電源走線(xiàn)與電源完整性對(duì)串行總線(xiàn)來(lái)說(shuō)仍很關(guān)鍵。

在半導(dǎo)體技術(shù)將更多功能集成到更廉價(jià)ic中的同時(shí)，連接器與其他機(jī)械組件卻變得相對(duì)昂貴。今天，行業(yè)正處于串行與并行總線(xiàn)的十字路口。pci-express的成本目前已能與pci-x的成本相比擬，且很快還會(huì)下降。但直至今日，低成本、向后兼容性以及易實(shí)現(xiàn)性等優(yōu)點(diǎn)，都意味著pci、pci-x 1.0及pci-x 2.0仍將伴隨我們一段相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。