Analogtipp Schalter: Höhere Kanaldichte durch Integration von passiven Komponenten

Bei höherer Kanalzahl wird die Leiterplattenfläche nicht nur von den Schaltern belegt, sondern auch von den Steuerleitungen für die Logik und den dazugehörigen passiven Komponenten. Die erzielbare Kanalanzahl wird also vom Platzbedarf dieser zusätzlichen Steuerungskomponenten eingeschränkt.

Bisher wurden Schalter verwendet, die über eine logische SPI-Schnittstelle gesteuert werden. Diese Architektur benötigt zur Implementierung nur vier GPIO-Leitungen. Die Verkettungsfunktion (Daisy-Chain) kann zudem genutzt werden, um alle Bausteine simultan zu steuern. Bild 1 illustriert ein Beispiel, in dem 25 verkettete ADG1414-Schalter 200 LEDs ansteuern. Hier sind für einen korrekten Betrieb drei Entkoppelkondensatoren und ein Pull-up-Widerstand nötig. Es müssen 125 Komponenten platziert werden, die rund 2600 mm² an Leiterplattenfläche belegen.

Werden die passiven Komponenten direkt in das Schaltergehäuse implementiert, wie in Bild 2 gezeigt, lässt sich bis zu 80 % Platz auf der Leiterplatte sparen. Der ADGS2414D enthält die für die Pins VDD, VSS und RESET/VL nötigen Entkoppelkondensatoren. Damit sind keine externen Entkoppelkondensatoren notwendig. Der Pull-up-Widerstand für den SDO-Pin ist ebenfalls integriert. Kombiniert mit Multi-Die Stacking der Schalter wird der gesamte Flächenbedarf dieses Schaltmoduls signifikant reduziert und der Baustein passt in ein LGA-Gehäuse mit 4 mm x 5 mm Kantenlänge.

Werden mehrere Chips in einem System verwendet, erlaubt das Prinzip der durchgeschleusten Pins (Route Through Pins) ein kompakteres Design mit gesteigerter Kanaldichte. Dieses Prinzip vereinfacht den nahtlosen Durchgang sowohl der digitalen als auch der Stromversorgungsleitungen. Die Stromversorgungsleitungen VDD, VSS, RESET/VL und GND wie auch die Leitungen SCLK, CS, SDI und SD, sind auf der Ober- und Unterseite des Gehäuses herausgeführt. Dies vereinfacht das Leiterplatten-Routing und reduziert die Anzahl der Durchkontaktierungen. Kombiniert mit den integrierten passiven Komponenten, kann die benötigte Leiterplattenfläche insgesamt signifikant verringert werden.

Passive Komponenten im Gehäuse integriert

Mit der Integration der passiven Komponenten in ein gemeinsames Gehäuse und den durchgeschleusten Pins des Achtfach-Schalters ist ein neues Leiterplatten-Design mit einer signifikant erhöhten Kanaldichte möglich. Bild 3 zeigt das gleiche Szenario aus Bild 1 (200 LEDs, die von 25 ADGS2414D-Schaltern angesteuert werden).

Dieses Layout benötigt keine externen passiven Komponenten, wodurch die Schaltmodule mit einem Abstand von 1 mm auf beiden Seiten nebeneinander platziert werden können. So sind nur 25 Bausteinen auf einer Leiterplattenfläche von etwa 800 mm² notwendig, was eine 70%ige Verringerung der benötigten Leiterplattenfläche bedeutet. Zusätzlich sind auch 100 weniger passive Komponenten erforderlich.

Zudem kommt das Schaltmodul mit einem Schaltwiederstand von rund 0,5 Ω. Das verbessert die Messgenauigkeit und verringert die Wärmeentwicklung, wenn hohe Ströme fließen (spezifiziert für 850 mA pro Kanal).

In Anwendungen mit einer hohen Kanaldichte führt die verbesserte Genauigkeit zu reduzierten Abweichungen von Kanal zu Kanal und weniger Kalibrierzyklen.

Der ADGS2414D unterstützt die Verbindung mehrerer Bausteine in einer Daisy-Chain-Konfiguration. In diesem Aufbau teilen sich alle Bausteine die gleichen CS-, SCLK-, und VL-Leitungen. Der SDO eines Bausteins erstellt eine Verbindung mit dem SDI des nächsten Bausteins, wodurch ein Schieberegister gebildet wird. Ein einziger 16-Bit-SPI-Rahmen wird dazu genutzt, den Befehl an alle Bausteine in der Kette zu senden, um in den Verkettungsmodus zu übergehen. In diesem Modus ist SDO eine um acht Zyklen verzögerte Version von SDI, so dass die gewünschte Schaltkonfiguration von einem Baustein in der Kette zum Nächsten übergeben werden kann.

Protokoll- und Kommunikationsfehler auf dem SPI werden mit drei Fehlererfassungsfunktionen erkannt: Falsche SCLK-Zählung, ungültige Lese-/Schreib-Adressen und CRC-Fehler. Jede dieser Methoden kann über ein Freigabe-Bit im Fehlerkonfigurationsregister aktiviert oder deaktiviert werden. Zusätzlich gibt es für jede dieser Fehlererkennungen noch ein Fehlermarkierungs-Bit im Fehlerkennungsregister. (kr)

* Brendan Somers ist Entwickler bei Analog Devices.

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