新一代PCI背板的電源管理需求

高速總線(xiàn)提高電源設計難度
　　隨著(zhù)許多高速處理器、大容量硬盤(pán)和磁盤(pán)陣列、顯示卡、以太網(wǎng)絡(luò )和光纖數據通訊、以及內存數組等設備通訊速度不斷加快，使用更快速總線(xiàn)接口來(lái)符合其應用需求成為必要。
　　現代半導體技術(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(xiàn)速度?？偩€(xiàn)架構工程師必須處理總線(xiàn)電容、因為訊號線(xiàn)長(cháng)度不同所造成訊號歪斜現象、難以預測總線(xiàn)負載變化、以及系統零組件誤差?？偩€(xiàn)速度越快，電壓就必須越精確。而這些問(wèn)題都與俗稱(chēng)為I/O電源或VIO.總線(xiàn)收發(fā)器電源供應習習相關(guān)，因此現代總線(xiàn)必須小心設計其電源才能有效發(fā)揮最大效能。
　　新舊PCI可相容
　　回溯兼容性是PCI總線(xiàn)最大優(yōu)勢。PCI特別工作小組已發(fā)展出一套方法讓PCI擴充槽能同時(shí)支持新型與舊規格PCI電路板。早期PCI電路板和PCI-X 1.0（又稱(chēng)為mode-1）電路板都使用3.3V VIO，而PCI-X 2.0 266MHz和533MHz（又稱(chēng)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電源舊規格或mode-1電路板，則可能會(huì )沒(méi)有足夠電壓在總線(xiàn)產(chǎn)生邏輯 “1” 訊號。
　　原始PCI標準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(wú)法提供回溯兼容性。PCI-X 2.0則是借用現代高效能微處理器技術(shù)，也就是透過(guò)邏輯電路來(lái)選擇電壓（logic-selectable voltage）來(lái)解決此問(wèn)題。
　　PCI電路板連接座上有個(gè)稱(chēng)為PCIXCAPPCI-X兼容性接腳，PCI系統會(huì )利用系統電路板上模擬數字轉換器測量PCIXCAP電壓值以決定PCI電路板速度。傳統PCI電路板會(huì )將PCIXCAP接地，使擴充槽控制器將總線(xiàn)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PCIXCAP共享接腳電壓來(lái)設定整個(gè)總線(xiàn)。比方說(shuō)，只要有一張PCI電路板將PCIXCAP接地，整個(gè)總線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(lái)進(jìn)一步擴大此技術(shù)，使操作速度增加為五種。系統可以根據PCIXCAP模擬數字轉換器所提供信息來(lái)設定總線(xiàn)速度與VIO電壓。
　　工程師還需解決許多其它問(wèn)題才能完成64位266MHz擴充槽實(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擴充槽，但目前仍只能處理2個(gè)64位133MHz PCI-X 1.0總線(xiàn)擴充槽；266MHz以上PCI總線(xiàn)更要將橋接器直接聯(lián)機至擴充槽，才能滿(mǎn)足兩者之間超高數據速率要求。
　　PCI VIO規格
　　使用3.3V或5V I/O電源和較慢數據速率時(shí)，就算電源供應電壓略有變動(dòng)，PCI系統所輸出低電位和高電位電壓仍能達到TTL規格要求。但如果VIO降到1.5V，數據速率又增加至266MHz以上，訊號振幅范圍將大幅縮小，訊號穩定時(shí)間則相對變得更重要。
　　PCI規格對于不同VIO電壓要求如下：
　　供應電壓
　　供應電壓
　　誤差范圍
　　供應電壓
　　誤差范圍
　　最大負載
　　電流
　　擴充槽與橋接器電壓差異
　　擴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要求擴充槽和橋接器3.3V VIO電壓相差不能超過(guò)±100mV；這就表示橋接芯片VIO電壓必須在擴充槽VIO電壓100mV范圍內，以便忍受電流感測電阻、獨立電源切換FET開(kāi)關(guān)晶體管、和訊號線(xiàn)可能電壓降。但若VIO電壓為1.5V，擴充槽與橋接器電壓就不能相差超過(guò)±15mV；此時(shí)唯有讓它們使用同一組電源，并以又短又粗導線(xiàn)將其電源接點(diǎn)連接在一起，才能確保擴充槽與橋接器電壓相差在要求范圍內。
　　針對VIO電壓要求也帶來(lái)了許多新限制。舉例來(lái)說(shuō)，橋接芯片必須能開(kāi)啟和關(guān)閉VIO電壓，以及選擇電壓值在3.3V與1.5V之間。電源供應選擇開(kāi)關(guān)在提供電源給擴充槽負載（最高1.5A）和橋接芯片負載時(shí)（最高1.5A以上，視橋接芯片而定），其電壓降不能超過(guò)±75mV。
　　VIO電源實(shí)作
　　有些系統會(huì )用它1.5V電源層，提供VIO電壓給mode-2橋接器和PCI-X擴充槽。這些系統只要遵守下列簡(jiǎn)單規則，就能使用切換電路來(lái)提供VIO電壓：
　　1. 以寬而短線(xiàn)路將VIO電壓傳送給橋接器和擴充槽；
　　2. 略為提高1.5V電源層電壓；
　　3. 使用導通阻抗極低功率FET晶體管和電流感測組件；
　　4. 在「阻隔串接線(xiàn)路」(blocking series connection）上，利用兩顆FET開(kāi)關(guān)晶體管將1.5V電源送到橋接器和擴充槽；如此一來(lái)，無(wú)論擴充槽電壓為0V或3.3V，只要FET處于截止狀態(tài)，就不會(huì )有電流從擴充槽通過(guò)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電源供應器來(lái)提供VIO電壓給mode-2擴充槽和橋接芯片，然后再利用低壓降線(xiàn)性穩壓器將1.8V降壓至1.5V電壓。這種做法可使用成本較低FET晶體管，而對于電路板繞線(xiàn)要求也比較寬。比方說(shuō)，設計人員可以使用UC382-1之類(lèi)低壓降穩壓組件，此時(shí)功率FET將同時(shí)扮演電源選擇器、穩壓器、和熱插拔電源開(kāi)關(guān)等多種角色。
　　擴充槽VIO接腳與組件15VIS接腳之間聯(lián)機極為重要；由于它同時(shí)擔任著(zhù)電流感測和穩壓感測等功能，所以在繞線(xiàn)時(shí)需特別注意。
　　若系統無(wú)法提供低電壓電源，也能利用可程序交換式穩壓器來(lái)提供VIO電壓；例如使用可接受 12V輸入電源PTH05000 VRM穩壓模塊提供3.3V或1.5V電壓，或是采用內建FET晶體管TPS54310 SWIFT等交換式穩壓組件。
　　熱插拔電源控制
　　PCI和PCI-X可廣泛用于各種平臺、筆記型計算機、桌上型計算機、服務(wù)器和工業(yè)系統。筆記型計算機和桌上型計算機大都以PCI做為內部數據總線(xiàn)；外部裝置聯(lián)機則采用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也能在系統不關(guān)機時(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，在不中斷作業(yè)條件下進(jìn)行維修服務(wù)關(guān)鍵。設計人員必須利用系統驅動(dòng)程序和硬件才能提供完整PCI熱插拔功能。
　　PCI熱插拔擴充槽插座與傳統PCI擴充槽完全相同；它上面也有電路板內鎖開(kāi)關(guān)、電路板服務(wù)要求按鈕、以及標準電路板狀態(tài)指示燈。電路板管理與控制是由標準熱插拔控制器（Standard Hot Plug Controller，SHPC）負責；它會(huì )監測擴充槽開(kāi)關(guān)、命令擴充槽啟動(dòng)或關(guān)閉電源、啟動(dòng)或關(guān)閉總線(xiàn)開(kāi)關(guān)、將數據繞過(guò)已關(guān)閉電源擴充槽、以及管理擴充槽指示燈燈號狀態(tài)。另一顆稱(chēng)為熱插拔電源控制器（Hot Plug Power Controller，HPPC）功率模擬組件則會(huì )負責切換擴充槽電源。
　　HPPC可提供不同電源和模擬功能；例如擴充槽開(kāi)關(guān)電壓跳動(dòng)消除（debouncing）和緩沖、電路板種類(lèi)判斷、選擇適當擴充槽VIO電壓、切換擴充槽 12V、 5V、 3.3V、Vaux和-12V電源、驅動(dòng)擴充槽總線(xiàn)開(kāi)關(guān)、以及驅動(dòng)擴充槽指示燈。HPPC還可為每個(gè)總線(xiàn)電源提供限流功能，以防止故障電路板造成背板電源過(guò)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)擴充槽Vaux、 3.3V和 12V主電源、監測兩個(gè)擴充槽內鎖和服務(wù)要求開(kāi)關(guān)；它還能在任何電源發(fā)生過(guò)載時(shí)，立即切斷擴充槽聯(lián)機以保護電源不受損害。
　　面對實(shí)際問(wèn)題
　　現代邏輯組件已能承受來(lái)自電源大電流突波，開(kāi)關(guān)速度更達到500ps以?xún)?。?shí)際限流電路必須在必要時(shí)提供瞬間大電流，擴充槽電流達到危險水平一段時(shí)間后，也要能迅速切斷擴充槽電源；否則激增擴充槽電流可能導致背板電壓下降，進(jìn)而影響背板其它裝置正常作業(yè)。
　　電流感測零件和導線(xiàn)布局也很重要。針對高密度電路板零件布局，工程師應選擇能直接放在PCI插座之間高密度單列式功率封裝（inline power package）。舉例來(lái)說(shuō)，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(xiàn)已開(kāi)始出現在現代電子系統，并與傳統并列總線(xiàn)分庭抗禮；這兩種總線(xiàn)在短期內仍須攜手共存。串行總線(xiàn)沒(méi)有數據路徑歪斜問(wèn)題，故能采用更彈性繞線(xiàn)和連接座設計。接腳數目減少使串行總線(xiàn)體積更為精巧；然而電源路徑安排以及電源安全保護對于串行總線(xiàn)仍然極為重要。
　　半導體技術(shù)雖可將更多功能整合至更低成本組件，連接座和其它機械零件卻日益昂貴?，F在正是串行總線(xiàn)取代并列總線(xiàn)轉折點(diǎn)。雖然PCI Express成本已降至PCI-X水平，未來(lái)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，這也意味著(zhù)它們仍將在市場(chǎng)上風(fēng)光一段時(shí)間。