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串行/解串器解决便携式设计中超大数据吞吐速率挑战

Jeff Ju?? 飞兆半导体公司模拟信号路径产品组技术市场经理?? 2007年05月15日 ?? 收藏0

  传统串行/解串器的功能和局限

  串行/解串器正广泛用于平板显示应用中,因为它在减小连接器尺寸、降低电磁干扰(EMI)、减小通道至通道的偏斜失真,以及其它方面较传统的并行接口有明显的优势。而这个串行技术对高清视频内容传送及更快的帧速率尤其重要。然而,典型的SerDes 串行技术由于功耗大,特别是在大数据吞吐的情况下(例如数码相机快拍或高清晰度LCD写屏),很难用于超便携式应用中。

图1带有RGB接口手机设计中的应用例子


  便携式应用中的设计挑战

  对于小型(屏幕小于5英寸) 及采用电池供电的便携式应用(例如手机) 而言,串行/解串器有助于减少连接主板和显示的扁平电缆上的连接器数目,从而降低成本和设备体积。此外,采用串行/解串器技术更容易实现高分辨率显示和相机的数据传输,并可获得更好的信号完整性和降低电磁辐射。不幸的是,在功耗、EMI、封装尺寸和电缆比例等指标限制下,传统的串行/解串器并不适合消费电子应用的大数据吞吐采用。传统串行/解串器在便携式应用中还面对两大问题需要解决。

  首先,这类应用的分辨率和帧速率不及消费电子应用那样高。便携式应用中的像素时钟频率变化范围大,2MHz~20MHz;而典型消费电子的平板

显示器在20MHz~85MHz。因此,在便携式应用中需要采用更大锁频范围比(高至低) 的锁相环(PLL)。第二个也是最棘手的挑战是:为了进一步降低功耗,得省去解串器侧的PLL;而这样就得解决串行器和解串器间接口的源同步问题,即串行时钟将始终跟随数据,在扁平电缆或FPC上以相同频率传输。此外,为了进一步减少排线电缆上的连接器数,得采用4线(1对数据线加1对时钟线) 串行接口,这也不同于消费电子应用中的8线或10 线串行接口。

  在便携式LCD的写应用器件中,并行数据总线(16位或18位) 速率高时可达20Mbps,低时可降至2Mbps。如果所有RGB数据和控制信号(最高达24个并行输入) 都在1对线上串行传输,那么排线上的串行数据吞吐速率将非常高(达520Mbps)。速率越高意味着脉冲沿陡度更大,而这会产生更大的电磁干扰。不幸的是,为达到如此高的数据速率,还需要较大的回路电流(例如在传统LVDS技术就需要在3V电源下达到3.5mA)。然而,这对用电池供电的便携式应用来说绝对不是好事。这是串行接口所面对低功耗、低电磁干扰与高数据速率之间的取舍难题。降低功耗是大多数便携式设备设计人员所面对的最大难题。因此市场需要能进一步降低功耗(工作电压在2.8V以下,甚至对手机应用来说更低) 和电磁干扰的全新接口技术,同时又不会牺牲信号的吞吐量和完整性。

  克服这些困难的解决方案

  飞兆半导体最新推出的mSerDes 产品(一对串行器和解串器) 便提供真正的电流传输逻辑(CTL) 接口,只需单一个PLL并工作在特定的模式下,就能使FIN24AC器件在手机设计中显著降低电磁干扰和功耗,同时还能缩短设计时间。mSerDes能够免除了第二个PLL电路,并且采用CTL 技术进一步降低回路电流,使其降至每通道1.75mA 的水平。

  飞兆半导体的CTL和其它伪电流I/O技术(例如LVDS) 的主要区别在于:虽然CTL驱动电路在环路中产生源电流的方式与LVDS类似,但CTL接收器检测的是差分电流,这与LVDS接收器检测跨过100Ω端接电阻的差分电压不同。这个差异使CTL技术的吞吐量至功耗比率明显优于传统技术。由于接收器检测的是电流而非电压,因此它对电容性负载(例如ESD抑制电路的寄生电容和输入端连接器上的线头电容) 不会太敏感。这就有助于在串行线上达到非常高的吞吐量(例如在每通道1.75mA 的电流下达到520Mbps)。

  此外,CTL技术的传输延迟明显减小,且功耗比传统LVDS降低50%。由于CTL技术的信号脉冲幅度很小,EMI辐射比传统LVDS技术至少低10dB(比现有的TTL技术至少低20dB),因此可彻底省去手机设计中在所有并行TTL总线(对LCD写应用来说通常有16个或8个通道)上对EMI过滤电路的需要,从而大幅度降低成本,并且因为CTL 技术对EMI性能的改善而缩短EMI的调试时间。

  与典型平板电视中的串行/解串器相比,CTL接口技术的mSerDes显著降低了工作功耗和待机功耗,同时又能在1.75mA的回路电流下实现高达520Mbps 的数据速率。针对典型的LCD写应用,电缆上的连接器更进一步从24线(或更多)减少到只有4线。 图1给出了采用mSerDes技术在典型手机设计中实现的LCD写应用。采用CTL技术,便携式设备设计人员能将多达24路平行TTL信号在两条线上串行传输。在5MHz 频率下,1对线的功耗可低至51mW;而且,关机后的待机功耗非常低,一般约0.28mW。

  如图1的应用例子所示,24条线(包括16位数据和其它低频控制信号,例如LCD屏幕和HSYNC/VSYNC同步的芯片选信号)可被减少成连接在主板和LCD模块之间的4条线。这样,不仅因连接器件的减少和EMI的改善而降低了成本,而且简化了设计,尤其是对那些采用滑动或旋转屏面板的手机设计。在这类设计中,基本模块和LCD模块间的连线在某些应用中达到60条以上;而采用mSerDes技术有助于面板的滑动和旋转机构的实现,这是因为连线数大幅减少到20根。串行和解串器的并行TTL I/O有很宽的电源电压范围:1.65V ~ 3.6V。mSerDes产品提供了电平移动能力,就不再需要传统的转换硬件来处理基带输出逻辑电平与LCD模块输入电平间的不一致。

  总结

  伪电流技术的传统接口对实现低功耗、高吞吐量串行和解串器的设计有很多障碍,这些障碍可通过采用新型的SerDes结构和真正以电流传输为基础的串行接口技术来解决,例如基于CTL串行接口的 mSerDes技术这类解决方案,便可协助设计人员大幅缩短设计时间,并提供所需的超低功耗、EMI辐射和高数据吞吐量。


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