隨著許多高速處理器、大容量硬碟、磁碟陣列、顯示卡、乙太網路和光纖資料通訊以及記憶體陣列等設備的通訊速度不斷加快，因此需要更快速的匯流排介面來符合其應用需求。

目前半導體技術能製造出比以前更快的邏輯電路，但僅靠提高邏輯電路速度並不足以加快匯流排速度。匯流排架構工程師必須處理匯流排電容、因為訊號線長度不同所造成的訊號歪斜現象、難以預測的匯流排負載變化以及系統零組件的誤差。匯流排速度越快，電壓就必須越精確。而這些問題都與俗稱為I/O電源或VIO.的匯流排收發器電源供應息息相關，因此現代匯流排必須小心設計其電源才能有效發揮最大效能。

回溯相容性是PCI匯流排的最大優勢。PCI特別工作小組已發展出一套方法讓PCI擴充槽能同時支援新型與舊規格的PCI電路板。早期的PCI電路板和PCI-X 1.0（又稱為mode-1）電路板都使用3.3V VIO，而PCI-X 2.0 266MHz和533MHz（又稱為mode-2）電路板使用的則是1.5V VIO電壓。誤用3.3V電源的mode-2電路板會發生故障；而誤用1.5V電源的舊規格或mode-1電路板，則可能會沒有足夠的電壓在匯流排產生邏輯“1”訊號。

原始的PCI標準是以不同的接腳邊緣外形讓5V和3.3V電路板共存，但這種做法無法提供回溯相容性。PCI-X 2.0則是借用現代高效能微處理器技術，也就是透過邏輯電路選擇電壓（logic-selectable voltage）的方式來解決此問題。

PCI電路板連接座上有個稱為PCIXCAP的PCI-X相容性接腳，PCI系統會利用系統電路板上的類比數位轉換器測量PCIXCAP的電壓值以決定PCI電路板速度。傳統PCI電路板會將PCIXCAP接地，使擴充槽控制器將匯流排速度限制在33MHz。PCI-X 66MHz電路板會在PCIXCAP接腳加上10kΩ下拉電阻，讓PCI-X以66MHz速度操作；PCI-X 133MHz電路板則會讓PCIXCAP處於浮動狀態，以啟動133MHz操作模式。

這種技術還能根據PCIXCAP共用接腳電壓來設定整個匯流排。比方說，只要有一張PCI電路板將PCIXCAP接地，整個匯流排就會使用33MHz；PCIXCAP接腳若處於浮動高電位，就表示所有PCI電路板皆為PCI-X 133MHz，使匯流排進入133MHz操作模式。若有部份電路板在PCIXCAP加上10kΩ下拉電阻，PCIXCAP接腳電壓就會低於浮動狀態的高電壓，但仍高於接地電壓，此時匯流排會在PCI-X 66MHz速率下操作。

PCI-X 2.0定義兩種新的下拉電阻值：PCI-X 266MHz的3.16kΩ以及PCI-X 533MHz的1.02kΩ，來進一步擴大此技術，使操作速度增加為五種。系統可以根據PCIXCAP類比數位轉換器所提供的資訊來設定匯流排速度與VIO電壓。

工程師還需解決許多其他問題才能完成64位元266MHz擴充槽實作。橋接技術速度雖然已能讓一個橋接器支援6個32位元的66MHz PCI擴充槽，但目前仍只能處理2個64位元的133MHz PCI-X 1.0匯流排擴充槽；266MHz以上的PCI匯流排更要將橋接器直接連線至擴充槽，才能滿足兩者之間的超高資料速率要求。

PCI VIO規格

使用3.3V或5V I/O電源和較慢的資料速率時，就算電源供應電壓略有變動，PCI系統所輸出的低電位和高電位電壓仍能達到TTL規格要求。但如果VIO降到1.5V，資料速率又增加至266MHz以上，訊號振幅範圍將大幅縮小，訊號穩定時間則相對變得更重要。

PCI規格對於不同的VIO電壓要求如(表一)所示：

PCI-X mode 1要求擴充槽和橋接器的3.3V VIO電壓相差不能超過±100mV；這就表示橋接晶片的VIO電壓必須在擴充槽VIO電壓的100mV範圍內，以便忍受電流感測電阻、獨立的電源切換FET開關電晶體、和訊號線的可能電壓降。但若VIO電壓為1.5V，擴充槽與橋接器的電壓就不能相差超過±15mV；此時唯有讓它們使用同一組電源，並以又短又粗的導線將其電源接點連接在一起，才能確保擴充槽與橋接器的電壓相差在要求範圍內。

針對VIO電壓的要求也帶來了許多新限制。舉例來說，橋接晶片必須能開啟和關閉VIO電壓，以及選擇電壓值在3.3V與1.5V之間。電源供應選擇開關在提供電源給擴充槽負載（最高1.5A）和橋接晶片負載時（最高1.5A以上，視橋接晶片而定），其電壓降不能超過±75mV。

VIO電源實作

有些系統會用它的1.5V電源層，提供VIO電壓給mode-2橋接器和PCI-X擴充槽。這些系統只要遵守下列簡單規則，就能使用切換電路來提供VIO電壓：

如此一來，無論擴充槽電壓為0V或3.3V，只要FET處於截止狀態，就不會有電流從擴充槽通過FET的體二極體進入1.5V電源層。除了採用上述的切換電路之外，也能以1.8V電源供應器來提供VIO電壓給mode-2擴充槽和橋接晶片，然後再利用低壓降線性穩壓器將1.8V降壓至1.5V電壓。這種做法可使用成本較低的FET電晶體，而對於電路板繞線要求也比較寬。比方說，設計人員可以使用低壓降穩壓元件，或(圖一)所示的熱插拔電源控制器；此時功率FET將同時扮演電源選擇器、穩壓器、和熱插拔電源開關等多種角色。

《圖一　採用PCI-X 2.0熱插拔控制器的1.8V和3.3V VIO電壓選擇電路》

＜圖註：它會在匯流排處於mode-2模式時，透過放大器驅動Q2和Q3，使+1.8V電壓降為1.5V。＞

擴充槽VIO接腳與元件15VIS接腳之間的連線極為重要；由於它同時擔任著電流感測和穩壓感測等功能，所以在繞線時需特別注意。

若系統無法提供低電壓電源，也能利用可程式交換式穩壓器來提供VIO電壓；例如使用可接受+12V輸入電源的PTH05000 VRM穩壓模組提供3.3V或1.5V電壓，或是採用內建FET電晶體的TPS54310 SWIFT等交換式穩壓元件。

熱插拔

PCI和PCI-X可廣泛用於各種平台、筆記型、桌上型、伺服器和工業系統。筆記型和桌上型電腦大都以PCI做為內部資料匯流排；外部裝置連線則採用USB、Firewire、PCMCIA、Cardbus或是Expresscard。這些裝置都有自己的電源管理和裝置熱抽換（hot swap）協定。

PCI和PCI-X也能在系統不關機時移除連接裝置；這種熱插拔（hot plug）功能是伺服器等高可用性（high-availability）系統，在不中斷作業條件下進行維修服務的關鍵。設計人員必須利用系統驅動程式和硬體才能提供完整的PCI熱插拔功能。

PCI熱插拔擴充槽的插座與傳統PCI擴充槽完全相同；上面也有電路板內鎖開關、電路板服務要求按鈕、以及標準的電路板狀態指示燈。電路板的管理與控制是由標準熱插拔控制器（Standard Hot Plug Controller；SHPC）負責；它會監測擴充槽開關、命令擴充槽啟動或關閉電源、啟動或關閉匯流排開關、將資料繞過已關閉電源的擴充槽以及管理擴充槽指示燈的燈號狀態。另一顆稱為熱插拔電源控制器（Hot Plug Power Controller；HPPC）的功率類比元件則會負責切換擴充槽電源。

HPPC可提供不同的電源和類比功能；例如擴充槽開關的電壓跳動消除（debouncing）和緩衝、電路板種類判斷、選擇適當的擴充槽VIO電壓、切換擴充槽的+12V、+5V、+3.3V、Vaux和-12V電源、驅動擴充槽匯流排開關以及驅動擴充槽指示燈。HPPC還可為每個匯流排電源提供限流功能，以防止故障電路板造成背板電源過載或電壓下降。

熱插拔電源控制器可為PCI-Express提供熱插拔功能。這類元件可以切換兩個擴充槽的Vaux、+3.3V和+12V主電源、監測兩個擴充槽的內鎖和服務要求開關；還能在任何電源發生過載時，立即切斷擴充槽連線以保護電源不受損害。

《圖二　電流感測電阻與HPPM之間的較佳連接方式》

實際問題

現代邏輯元件已能承受來自電源的大電流突波，開關速度更達到500ps以內。實際限流電路必須在必要時提供瞬間大電流，擴充槽電流達到危險水準一段時間後，也要能迅速切斷擴充槽電源；否則激增的擴充槽電流可能導致背板電壓下降，進而影響背板其它裝置的正常作業。

電流感測零件和導線的佈局也很重要。(圖二)是電流感測電阻與HPPM之間的較佳連接方式。

圖二以Kelvin連線方式將電流感測電阻連接至電流感測電路，以避免大電流通過電路板線路時產生過多電壓降。圖中顯示兩種取代Kelvin連線的較佳方式。電路板的電流感測線路必須是間距極小的等長平行路徑，以避免鄰近大電流線路而產生磁耦合。為防止出現假的電流故障，設計人員應選擇串聯電感很小的電流感測電阻；這表示應避免使用含有鈷、鎳或鐵的電阻。元件的3VS和3VIS接腳之間應連接一顆陶瓷電容，它能在假的電流故障出現時協助消除雜訊。針對高密度的電路板零件佈局，工程師應選擇能直接放在PCI插座之間的高密度單列式功率封裝（inline power package）。

未來展望

串列匯流排已開始出現在現代電子系統，並與傳統並列匯流排分庭抗禮；這兩種匯流排在短期內仍須攜手共存。串列匯流排沒有資料路徑歪斜的問題，故能採用更彈性的繞線和連接座設計。接腳數目的減少使串列匯流排體積更為精巧；然而電源路徑安排以及電源安全保護對於串列匯流排仍然極為重要。

半導體技術雖可將更多功能整合至更低成本元件，連接座和其它機械零件卻日益昂貴。現在正是串列匯流排取代並列匯流排的轉折點。雖然PCI-Express成本已降至PCI-X的水準，未來還會更低；但是PCI、PCI-X 1.0和PCI-X 2.0仍擁有低成本、回溯相容性和易於實作等優勢，這也意味著它們仍將在市場上風光一段時間。（作者任職於TI德州儀器）

延 伸 閱 讀

通稱為ATX的英特爾所制定之桌上型電腦電源供應器，原本是為了節省成本而設計，但其運作效率不佳。當水電管理機關在嘗試節約能源之際，製造商也同時尋求既能提昇ATX電源供應器性能和兼顧成本的方法。相關介紹請見「 增進桌上型電腦的電源供應器效率 以系統方法創造88％的效率差異 」一文。 最近幾年的電源供應設計和電源管理發展趨勢已經反映出整個電子產業都能見到的許多動態，越來越多智慧型功能開始分佈至整個電源系統；毫無疑問的，這些力量將在未來的幾年內繼續影響電源零件。此外，某些特殊應用的電源系統設計技巧也已出現，它們也將塑造電源零件的本質和功能。你可在「 整合與分佈式智慧成為電源系統設計的主要趨勢 」一文中得到進一步的介紹。 設計一款功率轉換器並不簡單，因為其中涉及多方面的技術知識。功率轉換器設計工程師必須對類比及混合訊號電路的設計、變壓器繞組、電磁相容性、封裝及散熱設計等有一定的認識 。在「電源管理系統之散熱問題及解決辦法」一文為你做了相關的評析。

市場動態

於2003年拿下全球電源管理IC元件市場第一的英飛凌（Infineon），其電源管理IC高級總監Anton Riedhammer表示，就當前全球電源管理IC市場成長力道來看，2005年全年半導體產業成長率應僅有5％左右，但受到全球電源管理IC需求大增，他估計這塊市場成長率將可望遠超過半導體產業。相關介紹請見「電源管理IC成長將大幅超越半導體 英飛凌：PC應用仍是最大市場」一文。 市調機構iSuppli最新報告指出，由於2004年全球半導體與電子設備市場表現亮眼，連帶也使得2004年全球電源管理IC市場邁開大步走，據估計，全球電源管理IC市場規模可望達到201億美元，較2003年成長24.3％，預計到2008年全球電源管理IC市場將達到接近300億美元的規模，意法半導體、快捷、德州儀器仍居前三強位置。你可在「 全球電源管理IC市場規模大幅成長 意法、快捷、德儀仍居前三強」一文中得到進一步的介紹。 2004年無線多媒體通信與計算機市場的迅猛發展為全球半導體市場增長做出了主要貢獻，同時也為全球電源以及電源管理芯片市場注入一股強勁的增長動力。在「 2004年中國電源管理芯片市場預計增長34.2%」一文為你做了相關的評析。

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