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                        基于BGA封装的总线开关技术发展趋势

      现在电子产品需要体积更小、速度更快、功能更强的元器件。最近几年，在数字总线开关领域，出现了新型的总线开关技术，它们具备以下特点：负尖峰保护的性能有了改进、采用球栅阵列(BGA)封装、总线位数可配置并且改进了电平转换的性能。

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    总线开关制造商和系统设计人员都认识到上述问题，设计了一系列可以在噪音环境下工作，并且具有负尖峰保护功能的开关。这些具备负尖峰保护功能的开关在遇到极性为负的瞬变电压时，仍然维持截止状态。负尖峰保护有几种方案，可以保证在出现-2.0V的负尖峰时起到保护作用。这些保护方案是：充电泵、串联开关、肖特基箝位二极管和UHC(强化的负尖峰保护电路)

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    标准的总线开关是一只导通电阻RON很低的NMOS晶体管，它的栅极连接到一个控制电路，通常称作“输出选通”，用OE表示。若干个这样的晶体管做在一块硅片上便构成了总线开关，有字宽为1位至48位的各种产品，它们采用各种不同封装。标准开关的导通电阻RON是4Ω，传播延迟很小，一般是250ps，从电源吸收的电流ICC很小，在电流流过时不会出现反射现象，而且它的控制输入信号与TTL兼容。用户可以选择是否需要配备负尖峰保护功能、25Ω串联电阻、电平转换二极管、输出端预先充电，以及是否使用节省空间的封装外壳等等。

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    负电压尖峰保护的改进
 
    总线开关是隔离数字信号的理想部件。事实上，“总线开关”这个词是由于这种器件的一般用途而产生的。然而，当一个标准的总线开关经受到极性为负的瞬变尖峰电压时，不论它出现在晶体管的漏极还是出现在源极，都会形成一个不希望存在的导通路径，它会使开关进入导通状态。当开关导通时，负尖峰会传送到被开关所隔离的另外一侧，结果影响到数据信号，引起系统出现故障，甚至会损坏一些敏感的器件。

    总线开关是否会感受到负尖峰电压，系统设计起着主要作用。通常在系统中很难避免出现负尖峰电压，或者由于存在固有的噪音，负尖峰电压不可避免，因此需要作一些折衷。例如，使用反射波设计的系统，像PCI总线，或者经常进行热插拔的系统。

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    可配置总线开关的优点在于，它能够取代位数不同的各种总线开关器件。在前面讲到的笔记本计算机这个例子中，设计人员可以用两个器件代替3个器件，从而减少电路板面积，同时维持电路板的通讯协议不变。在一个典型的服务器的印制电路板上有11个10位的总线开关，可以用3个40位可配置的器件来代替。同时，电路的其它部分继续是以10位来交换数据。

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    位数可配置的器件
    在总线开关技术方面，最近出现的新进展是把BGA封装技术和可配置总线开关结合起来。利用这项新技术制造的高位数可配置总线开关有许多用途。用这种器件，设计工程师在布置印制电路板时可以有更多的选择。这种可配置的总线开关是20位的器件，采用BGA54封装，它可以配置成为五个4位、四个5位、两个10位、一个16位或者一个20位的总线开关。可配置开关还有40/48位的，它们采用BGA114封装(图2)。此外，这些器件可以选择输入为5 V，输出为3 V的电平转换。

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    图1为各种方案的保护效果图，在开关堵塞、输入一系列仿真负尖峰的电压(幅度从0V至-2.0V)的情况下，比较了输出端的电压。

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    球栅阵列(BGA)封装
 
    随着系统功能的增多、系统尺寸的缩小，要求总线开关的尺寸更小，同时又要求增加位数，这是系统设计人员非常希望和需要的。总线开关与球栅阵列封装技术两者结合起来，可以缩小电子产品的尺寸，同时增加更多的功能。
例如，在一台普通的笔记本计算机中，连接器需要接通或切断80位字宽的数据。标准的、使用引线的方案需要两个采用QVSOP封装的32位总线开关，一个使用TSSOP封装的20位总线开关，占用的面积总共是417.4 mm2。相比之下，使用两个BGA封装40/48位的总线开关，占用的面积总共是176 mm22。在这个例子中，BGA封装使PCB缩小了60%。

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    在普通的总线开关中，所用电平转换方案是一个内部或者外接的二极管，它把5.0V输入电平转换为3.3V输出。这些内部的二极管或外接二极管在下面三种情况下不能奏效：输入的上升沿或者下降沿的变化速度超过4ns，输入信号频率超过10 MHz，位数超过20位。对于高阻抗电路，尤其在没有直流到地通路的情况下，这些问题会变得更加突出。不论是上面说的那一种情形，容性耦合到栅极的电荷不能够通过电平转换二极管从电源放电。这些电荷会使输出电平增高到VCC，甚至高于VCC，结果电路的输出端大约是5.0V，而不是所希望的3.3V。

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    在电平转换方面的改进
 
    总线开关的另一个作用是进行电平转换，把输入的5.0V电平转换为3.3V输出。由于总线开关几乎不消耗功率(ICC≤10μA)，延迟时间几乎可以忽略(tPD≤250ps)，这些器件可以确保电平转换对电路工作所产生的影响很小。电平转换总线开关的作用是把工作在5.0V的器件与工作在3.3V的器件连接起来。随着电子器件变得更小，更多地使用电池提供电能，电平转换变得更加重要。

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    电平过高对电路造成的影响有：系统出现故障，组件的寿命缩短，估计会使组件的寿命从十年缩短到只有一年，有时甚至马上失效。这些半导体器件的寿命可以用工业标准中由于电压过载以与有关温度影响的可靠性概率密度公式来估计，例如用Black公式来估计它们的寿命。在连续经受电压过载时，三种不同的栅极氧化层的估计寿命如图3所示。

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    增强型总线开关不仅可以进行电平转换，同时能防止对组件造成长期性的损坏。这种新型总线开关的特点是不会使系统蒙受出现故障的危险，而且也不会由于电压过高而降低组件的寿命。电路中包括电压基准、一个电流放大器以及为容性耦合而产生的栅极电荷放电的通路。

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    发展趋势
 
    整体地讲，总线开关封装技术与电子业封装技术的发展趋势是类似的：更小的尺寸，更多的功能。在更小的封装中放进去更多的位，使用BGA封装的总线开关朝这个方向迈进了一步。人们在探索的其它封装技术包括芯片级封装(CSP)，该封装把芯片直接封装在印制电路板上。在这种封装中，引线架是放在封装的上部。所有这些不同的封装技术可以节省更多空间，同时可以改善器件与电路板之间的散热条件。简而言之，总线开关的发展趋势是：更多的位数、更小的体积。

LIANGZHICHAO