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,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。
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,或图1所示TPS2342热插拔电源控制器;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。
在采用TPS2342 PCI-X 2.0热插拔控制器1.8V和3.3V VIO电压的选择电路中,会在总线处于mode-2模式时,透过放大器驱动Q2和Q3,使 1.8V电压降为1.5V。
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。
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。