新一代PCI背板的电源管理需求

高速总线提高电源设计难度随着许多高速处理器、大容量硬盘和磁盘阵列、显示卡、以太网络和光纤数据通讯、以及内存数组等设备通讯速度不断加快，使用更快速总线接口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逻辑电路，但仅靠提高逻辑电路速度并不足以加快总线速度。总线架构工程师必须处理总线电容、因为讯号线长度不同所造成讯号歪斜现象、难以预测总线负载变化、以及系统零组件误差。总线速度越快，电压就必须越精确。而这些问题都与俗称为i/o电源或vio.总线收发器电源供应习习相关，因此现代总线必须小心设计其电源才能有效发挥最大效能。新旧pci可相容回溯兼容性是pci总线最大优势。pci特别工作小组已发展出一套方法让pci扩充槽能同时支持新型与旧规格pci电路板。早期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）电路板使用则是1.5v vio电压。误用3.3v电源mode-2电路板会发生故障；而误用1.5v电源旧规格或mode-1电路板，则可能会没有足够电压在总线产生逻辑 “1” 讯号。原始pci标准是以不同接脚边缘外形让5v和3.3v电路板共存，但这种做法无法提供回溯兼容性。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pcixcappci-x兼容性接脚，pci系统会利用系统电路板上模拟数字转换器测量pcixcap电压值以决定pci电路板速度。传统pci电路板会将pcixcap接地，使扩充槽控制器将总线速度限制在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共享接脚电压来设定整个总线。比方说，只要有一张pci电路板将pcixcap接地，整个总线就会使用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，使总线进入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高电压，但仍高于接地电压，此时总线会在pci-x 66mhz速率下操作。 pci-x 2.0定义两种新下拉电阻值：pci-x 266mhz3.16kω以及pci-x 533mhz1.02kω，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信息来设定总线速度与vio电压。工程师还需解决许多其它问题才能完成64位266mhz扩充槽实作。桥接技术速度虽然已能让一个桥接器支持6个32位66mhz pci扩充槽，但目前仍只能处理2个64位133mhz pci-x 1.0总线扩充槽；266mhz以上pci总线更要将桥接器直接联机至扩充槽，才能满足两者之间超高数据速率要求。 pci vio规格使用3.3v或5v i/o电源和较慢数据速率时，就算电源供应电压略有变动，pci系统所输出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，数据速率又增加至266mhz以上，讯号振幅范围将大幅缩小，讯号稳定时间则相对变得更重要。 pci规格对于不同vio电压要求如下：供应电压供应电压误差范围供应电压误差范围最大负载电流扩充槽与桥接器电压差异扩充槽与桥接器电压差异 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要求扩充槽和桥接器3.3v vio电压相差不能超过±100mv；这就表示桥接芯片vio电压必须在扩充槽vio电压100mv范围内，以便忍受电流感测电阻、独立电源切换fet开关晶体管、和讯号线可能电压降。但若vio电压为1.5v，扩充槽与桥接器电压就不能相差超过±15mv；此时唯有让它们使用同一组电源，并以又短又粗导线将其电源接点连接在一起，才能确保扩充槽与桥接器电压相差在要求范围内。针对vio电压要求也带来了许多新限制。举例来说，桥接芯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）和桥接芯片负载时（最高1.5a以上，视桥接芯片而定），其电压降不能超过±75mv。 vio电源实作有些系统会用它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电源层电压； 3. 使用导通阻抗极低功率fet晶体管和电流感测组件； 4. 在「阻隔串接线路」(blocking series connection）上，利用两颗fet开关晶体管将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体二极管进入1.5v电源层。除了采用上述切换电路之外，也能以1.8v电源供应器来提供vio电压给mode-2扩充槽和桥接芯片，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fet晶体管，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之类低压降稳压组件，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。扩充槽vio接脚与组件15vis接脚之间联机极为重要；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，也能利用可程序交换式稳压器来提供vio电压；例如使用可接受 12v输入电源pth05000 vrm稳压模块提供3.3v或1.5v电压，或是采用内建fet晶体管tps54310 swift等交换式稳压组件。热插拔电源控制 pci和pci-x可广泛用于各种平台、笔记型计算机、桌上型计算机、服务器和工业系统。笔记型计算机和桌上型计算机大都以pci做为内部数据总线；外部装置联机则采用usb、firewire、pcmcia、cardbus或是express card。这些装置都有自己电源管理和装置热抽换（hot swap）协议。 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）功能是服务器等高可用性（high-availability）系统，在不中断作业条件下进行维修服务关键。设计人员必须利用系统驱动程序和硬件才能提供完整pci热插拔功能。 pci热插拔扩充槽插座与传统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、以及标准电路板状态指示灯。电路板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、启动或关闭总线开关、将数据绕过已关闭电源扩充槽、以及管理扩充槽指示灯灯号状态。另一颗称为热插拔电源控制器（hot plug power controller，hppc）功率模拟组件则会负责切换扩充槽电源。 hppc可提供不同电源和模拟功能；例如扩充槽开关电压跳动消除（debouncing）和缓冲、电路板种类判断、选择适当扩充槽vio电压、切换扩充槽 12v、 5v、 3.3v、vaux和-12v电源、驱动扩充槽总线开关、以及驱动扩充槽指示灯。hppc还可为每个总线电源提供限流功能，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。这颗组件可以切换两个扩充槽vaux、 3.3v和 12v主电源、监测两个扩充槽内锁和服务要求开关；它还能在任何电源发生过载时，立即切断扩充槽联机以保护电源不受损害。面对实际问题现代逻辑组件已能承受来自电源大电流突波，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平一段时间后，也要能迅速切断扩充槽电源；否则激增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正常作业。电流感测零件和导线布局也很重要。针对高密度电路板零件布局，工程师应选择能直接放在pci插座之间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tvsop封装，其接脚末端宽度不到8.5厘米。串行总线已开始出现在现代电子系统，并与传统并列总线分庭抗礼；这两种总线在短期内仍须携手共存。串行总线没有数据路径歪斜问题，故能采用更弹性绕线和连接座设计。接脚数目减少使串行总线体积更为精巧；然而电源路径安排以及电源安全保护对于串行总线仍然极为重要。半导体技术虽可将更多功能整合至更低成本组件，连接座和其它机械零件却日益昂贵。现在正是串行总线取代并列总线转折点。虽然pci express成本已降至pci-x水平，未来还会更低；但是pci、pci-x 1.0和pci-x 2.0仍拥有低成本、回溯兼容性、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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