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。