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飛兆FSSD06支持多個SD卡的切換方案

2008-07-28
作者:世界電子元器件

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引言
??? 市面上許多手機和便攜設備 (如數(shù)碼相機) 都能通過插入一塊標準、小型或微型SD卡來增加內(nèi)存。這一功能刺激了共享或擴展主機處理器SDIO (安全數(shù)字I/O) 端口從而連接多個設備的需求。SD卡接口設計為一個6通道總線,當中 1個通道用于時鐘、一個用于命令,其余4個用于數(shù)據(jù)線路。

??? 按照SD卡協(xié)會 (SD Card Association, SDA) 的物理層規(guī)范,可將多卡與總線連接,只要每個卡都有專門的一套命令和數(shù)據(jù)通道 (時鐘可共享)。若在主機只有一套命令/數(shù)據(jù)通道的情況下擴展SDIO接口,還必須解決幾個問題,才能實現(xiàn)優(yōu)化解決方案。無論采用什么方法來擴展接口,插入的擴展部件絕不能影響功能運作和造成系統(tǒng)延遲。飛兆半導體" title="飛兆半導體">飛兆半導體已推出占位尺寸小及成本低的解決方案,即FSSD06多路復用器,將一個SDIO端口擴展成多個端口。



圖1:SDIO主機端口擴展


擴展 SDIO 接口的約束條件

??? 市面上有兩種電壓范圍的SD卡及配件產(chǎn)品,即電壓在2.7 到3.3V的高壓卡,以及要么工作在上述高壓范圍,要么使用1.8V標稱低壓的雙電壓卡。因此,理想的解決方案應當讓主機控制器能夠同時與這兩種卡接口,為用戶帶來最大" title="最大">最大的靈活性。

??? 用于擴展SDIO接口的插入擴展部件絕不能影響功能運行和造成系統(tǒng)延遲。接口通信定義了多種模式 (即不同速率)。缺省模式定義為0到 25 MHz之間可變的時鐘速率,可通過4條并行數(shù)據(jù)線以每秒12.5 MB的速率傳輸數(shù)據(jù)。高速模式支持高達50 MHz的時鐘速率,可通過接口以每秒25 MB的速率傳輸數(shù)據(jù)。對SDIO接口進行復用的處理速度必須足夠快,并不能對高速模式的數(shù)據(jù)傳輸速率造成限制。

??? 卡的初始化和識別以低速進行,采用漏極開路輸出信號接法,時鐘速率在100 kHz 到 400 kHz之間。初始化一完成,主機就進入數(shù)據(jù)傳輸模式" title="傳輸模式">傳輸模式,而接口則可根據(jù)具體SD卡的模式 (即卡的數(shù)據(jù)傳輸速率) 相應提高速率。數(shù)據(jù)傳輸模式采用推挽信號接法,時鐘速率可達50 MHz。擴展SDIO接口的電路必須解釋協(xié)議并清楚了解主機何時進入數(shù)據(jù)傳輸模式,必須能以既有利于初始化 (漏極開路信號),又有利于數(shù)據(jù)傳輸模式 (推挽信號) 的交替方式實現(xiàn)通信。

??? 最后,當主機或卡都不向接口傳輸數(shù)據(jù)時,端口復用器必須讓系統(tǒng)處于缺省的高阻抗狀態(tài),備有所需的升壓電阻來控制命令和數(shù)據(jù)線。SD 卡規(guī)范定義的升壓電阻阻值在 10k 到 100k 歐姆之間,用于防止總線處于浮接狀態(tài)。

FSSD06 的功能特點


??? 飛兆半導體針對擴展 SDIO 接口的目標應用開發(fā)出一種產(chǎn)品,名為 FSSD06 多路復用器,其每項功能均為應對前述挑戰(zhàn)而設計。概括而言,F(xiàn)SSD06 的這些功能是通過飛兆半導體的專有架構來實現(xiàn),這個架構綜合了無源 FET 開關與有源緩沖器的最佳功能。

??? 首先,讓我們看看主機控制器和市面上各種類型 SD 卡對電源電壓的靈活性需求。FSSD06 的每個端口都有一個專門的電源引腳,這樣邏輯高位端口電壓就可以準確地做到所期望的電壓值。主機和卡之間的電壓轉(zhuǎn)換由 FSSD06 的內(nèi)部電路來管理,系統(tǒng)設計人員" title="設計人員">設計人員只需在每個端口加上所期望的電壓,不用操心其它任何事情。對不用的端口,電源引腳必須接地,而命令和數(shù)據(jù)引腳可以接地也可浮接。

??? 為了支持高速模式,F(xiàn)SSD06 具有非常短的傳送延遲,典型延遲范圍在 1 到 2 納秒。這個響應速度在 SD 接口的電容性負載" title="電容性負載">電容性負載達到 40pF 的最大容許值時尤其重要。FSSD06 采用飛兆半導體的專有輸出驅(qū)動電路,該電路的驅(qū)動強度可調(diào),能夠提供極短的信號脈沖沿上升時間,亦允許系統(tǒng)工作在漏極開路 (初始化) 信號模式和推挽 (高速傳輸) 信號模式。


??? 將這種方法與純漏極開路方法做個比較,后者類似于 FPGA 供應商建議的方法,必需采用較低的升壓電阻才能達到所要求的數(shù)據(jù)速率。升壓電阻低帶來一個問題,即 SD 卡控制器將信號拉到邏輯低電平時所需的功耗大幅增加。而且這個問題在接口的電容性負載增加時更加惡化。

??? SDIO 技術規(guī)范所允許的總線最大電容性負載為 40pF,而且采用純無源的升壓電阻來實現(xiàn)邏輯高電平狀態(tài),這會影響接口的最大工作速率。系統(tǒng)設計人員必須在采用低阻抗端接而導致功耗增加與數(shù)據(jù)傳輸期間的工作速率之間作出權衡折衷。 而FSSD06 采用了針對兩種模式優(yōu)化的驅(qū)動電路,使系統(tǒng)設計人員完全擺脫這種約束。FSSD06 的輸出也采用同樣的專有驅(qū)動電路,無需解釋主機控制器的命令就能實現(xiàn)雙向通信,因而簡化所需的邏輯并進一步減少總體系統(tǒng)功耗。

??? 如果能將 SD 卡插槽與主機接口隔離 (比如在無通信期間),效果可能會更好。這可用 OEb 引腳禁用 FSSD06 的兩個端口來實現(xiàn)。根據(jù) SDIO 接口規(guī)范,時鐘線上沒有升壓電阻,如果 SD 卡仍處于上電狀態(tài),卡的時鐘線將處于浮接。不過,F(xiàn)SSD06 通過連接一個微小的升壓電阻到任何未選中的卡端口的時鐘線上,解決了這個問題,防止上電的 SD 卡因浮接了一個 CMOS 輸入而產(chǎn)生振蕩,造成額外的功耗。

??? 由于 SDIO 接口擴展逐漸在超便攜 (電池供電的) 設備中應用,最大限度地降低功耗對延長電池工作時間或電池最終壽命非常關鍵。我們所討論的 FSSD06 器件的功能特點,都是針對降低設備功耗以及簡化從單卡設計到多卡設計的轉(zhuǎn)換而開發(fā)的。

內(nèi)置電壓轉(zhuǎn)換電路


??? 無需采用低阻抗升壓電阻,就能在高速模式下驅(qū)動大電容性負載
??? 自動感測通信方向
??? 支持所有定義的 SD 卡模式:1位、4位或 SPI

應用發(fā)展

??? 在設計需要擴展 SDIO 接口的系統(tǒng)時,需要考慮幾個關鍵事項。設計人員面臨的最重要選擇是決定命令 (CMD) 和數(shù)據(jù) (DAT) 信號的升壓電阻的最優(yōu)值。該阻值越小,信號的完整性越好,這取決于跡線的長度,在高速數(shù)據(jù)傳輸時尤為突出;但系統(tǒng)功耗會增加。



圖2:典型應用電路示意圖

??? 飛兆半導體開發(fā)出高度可配置的評測板,為設計人員提供協(xié)助。該板卡可插入各種阻值的升壓電阻。在每個 SD 卡端口都能測量不同阻值升壓電阻在每條跡線的電容性負載為 30pF 時的效果,阻值范圍是從 4.7k 到 100k 歐姆。四條數(shù)據(jù)跡線的每一條都具有相應的不同升壓阻值,而命令線則可選擇五種不同的阻值,每種都有一個自有的跳線。使用這種配置的評測板,開發(fā)人員就能評測初始化和數(shù)據(jù)傳輸模式下時鐘、命令和數(shù)據(jù)線上的信號波形 (在每條跡線上提供了測試點)。通過監(jiān)視評測期間的電源電流,就可以選出最優(yōu)的升壓電阻,既能達到很好的信號完整性,同時又能最大限度地降低總體系統(tǒng)功耗。

??? 為監(jiān)視電流及評測不同電壓下的接口信號,該評測板還提供一些連接器,對主機端口和每個 SD 卡端口進行獨立供電。使用跳線從連接器對特定的 SD 卡加電。評測板還配有 3 個調(diào)壓器 (1.8V、2.6V 和 3.3V),便于用戶根據(jù)其應用進行電壓安排。

??? 飛兆半導體目前并提供 FSSD06 評測板和用戶手冊。

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