D-PHY MIPI雙相機(jī)/雙顯示屏應(yīng)用中的模擬開關(guān)

移動(dòng)行業(yè)處理器接口聯(lián)盟（MIPI）標(biāo)準(zhǔn)在移動(dòng)設(shè)備行業(yè)日益流行?，F(xiàn)在的移動(dòng)設(shè)備普遍都帶有雙屏顯示和/或雙相機(jī)架構(gòu)，尤其是在中高端產(chǎn)品中。MIPI標(biāo)準(zhǔn)最初定義為點(diǎn)到點(diǎn)架構(gòu)，故第一代處理器、傳感器模塊和顯示屏都只有單個(gè)MIPI端口。

　　本文描述如何利用模擬開關(guān)，讓原有處理器能夠在不影響現(xiàn)有系統(tǒng)架構(gòu)的條件下，輕松與雙相機(jī)或雙顯示屏連接，并且在實(shí)際應(yīng)用中通過隔離加載在MIPI總線上的第二個(gè)相機(jī)（或顯示屏）的傳輸線影響來增強(qiáng)系統(tǒng)性能。此外，模擬開關(guān)具有雙向能力，還能夠?qū)崿F(xiàn)協(xié)處理器到單個(gè)相機(jī)或顯示屏的多路復(fù)用，同時(shí)不影響性能。

　　隨著新型概念手機(jī)向三屏顯示發(fā)展，模擬開關(guān)多路器甚至對(duì)更先進(jìn)的帶2個(gè)MIPI端口的處理器也大有益處。因此，了解模擬開關(guān)的使用方法及其優(yōu)點(diǎn)將有助于改進(jìn)或升級(jí)移動(dòng)設(shè)備通過原有或下一代處理器而實(shí)現(xiàn)的功能。

　　在對(duì)開關(guān)應(yīng)用予以深入討論之前，我們簡(jiǎn)要總結(jié)一下移動(dòng)設(shè)備目前存在的可推動(dòng)模擬開關(guān)運(yùn)用的一些發(fā)展趨勢(shì)。

　　消費(fèi)者希望盡可能快速高效地訪問信息，比如天氣、時(shí)間、股票行情、短信等——不論他們的手機(jī)電池狀態(tài)如何；而且他們喜歡不必打開手機(jī)翻蓋或滑蓋就能夠獲得這些信息。一種尺寸更小的顯示屏（AMOLED或E-ink）無需頻繁使用主觸摸屏即可提供這種功能，而主觸摸屏常常被留做瀏覽、視頻會(huì)議、音樂和應(yīng)用程序控制等應(yīng)用。模擬開關(guān)就可以支持這類多路復(fù)用。

　　對(duì)于雙相機(jī)應(yīng)用，作為消費(fèi)者，我們希望能夠隨時(shí)抓拍到那些自然可愛的鏡頭，并把它們放在“圖像”（或視頻中），我們可以選擇帶有一個(gè)12MP高清相機(jī)和一個(gè)5MP相機(jī)的手機(jī)。在社交網(wǎng)絡(luò)方面，你也許希望未來手機(jī)的功能組合里包含支持3G技術(shù)的視頻會(huì)議功能（網(wǎng)絡(luò)攝像）。模擬開關(guān)能夠多路復(fù)用和隔離相機(jī)的數(shù)據(jù)路徑，從而提高兩個(gè)相機(jī)之間電氣接口的穩(wěn)健性。

　　那么，模擬開關(guān)是如何適用于MIPI架構(gòu)的呢？模擬開關(guān)可被視為一個(gè)媒體通道，作為傳輸線互連結(jié)構(gòu)（TLIS）的一部分（圖1A），或MIPI發(fā)射器的一部分（圖1B）。實(shí)際中，兩者是一回事，但從模擬開關(guān)互操作性的角度來看，最好視之為TLIS的一部分，以準(zhǔn)確確定其S參數(shù)特性。因?yàn)槿舭阉暈榘l(fā)射器的一部分，則需進(jìn)行D-PHY發(fā)射器一致性測(cè)試以確?；ゲ僮餍浴?/p>

　　圖1A 模擬開關(guān)作為TLIS（媒體通道）的一部分

　　圖1B 模擬開關(guān)作為MIPI系統(tǒng)的一部分

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員常常擔(dān)心在點(diǎn)到點(diǎn)總線架構(gòu)中插入一個(gè)模擬開關(guān)可能會(huì)引入插入損耗，導(dǎo)致系統(tǒng)或互操作性故障。最近幾年，隨著在USB環(huán)境中大量使用模擬開關(guān)來實(shí)現(xiàn)USB連接器上多路復(fù)用USB、UART或音頻數(shù)據(jù)，這種顧慮大為減少。對(duì)于MIPI架構(gòu)，也有著同樣的轉(zhuǎn)變和樂觀前景。

　　模擬開關(guān)的RC特性當(dāng)然必需予以考慮，但更重要的是確保良好的PCB設(shè)計(jì)，盡量減少不連續(xù)點(diǎn)，并實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。在采用模擬開關(guān)來獲得良好的信號(hào)完整性時(shí)，需要考慮的因素還有：處理器特性（尤其是IOH/IOL），柔性電纜和連接器設(shè)計(jì)，額外的濾波器/ESD器件、端子和總線負(fù)載。

　　圖2所示為一個(gè)傳統(tǒng)的舊有的雙相機(jī)“共享”并行總線架構(gòu)（高分辨率和低分辨率）及其入射波響應(yīng)。當(dāng)信號(hào)在處理器和相機(jī)模塊之間傳輸時(shí)，波形不連續(xù)。而上升或下降邊緣的任何不連續(xù)都將導(dǎo)致無法滿足MIPI互操作性規(guī)范的要求。

　　圖2 雙相機(jī)的總線共享架構(gòu)

　　通過驅(qū)動(dòng)2個(gè)同時(shí)被供電和端接的MIPI接收端子板（RTB），可以輕松實(shí)現(xiàn)圖2所示的雙相機(jī)環(huán)境的驗(yàn)證。對(duì)于這種架構(gòu)，當(dāng)系統(tǒng)從低功率（LP）模式向高速（HS）流量模式轉(zhuǎn)換時(shí)，反射將導(dǎo)致邊緣速率的下降。當(dāng)處于HS模式時(shí)，差分信號(hào)的振幅和邊緣速率也出現(xiàn)下降，因此致使眼圖關(guān)閉。如果兩個(gè)RTB中有一個(gè)關(guān)斷或未端接，這種下降還會(huì)更嚴(yán)重，使眼圖進(jìn)一步關(guān)閉。

　　如何解決這一問題呢？解決方案是增加一個(gè)模擬開關(guān)。

　　在插入模擬開關(guān)時(shí)，關(guān)鍵的影響因素仍然是入射波響應(yīng)，因?yàn)殚_關(guān)可被視為一個(gè)不連續(xù)點(diǎn)。必需對(duì)開關(guān)的RC特性進(jìn)行優(yōu)化，以盡量減少反射，減小邊緣速率下降的幅度，從而提高“眼圖”性能。乍想之下，開關(guān)帶來的額外CON/COFF也許會(huì)被認(rèn)為有損系統(tǒng)性能，但實(shí)際中，去除不連續(xù)點(diǎn)的反射，足以抵消掉插入模擬開關(guān)所帶來的額外電容和串聯(lián)電感的害處。

　　MIPI規(guī)范使用0.3*UI作為互操作性的標(biāo)準(zhǔn)，這樣一來，都希望自己的系統(tǒng)運(yùn)行速度越快，開關(guān)CON/COFF 特性就變得越關(guān)鍵，這是由于該參數(shù)會(huì)影響到邊緣速率，從而影響到0.3*UI標(biāo)準(zhǔn)。即使不滿足0.3*UI標(biāo)準(zhǔn)，也不意味著開關(guān)的插入會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)故障或互操作性測(cè)試不合格。開關(guān)的RON影響著發(fā)射器和接收器之間的電壓降，所以在插入模擬開關(guān)時(shí)需要滿足接收器（Rx）靈敏度閾值。但在一般情況下，這往往被忽略，因?yàn)橥ㄟ^開關(guān)驅(qū)動(dòng)的電流很小，電壓降通常在10mV或以下（電壓擺幅《5%）。圖3中，波形1強(qiáng)調(diào)過快邊緣上升速率或過短邊緣上升時(shí)間（《150psec）的潛在影響；波形2為最佳情況，邊緣速率《0.3*UI ；波形3顯示了過長(zhǎng)邊緣上升時(shí)間可能導(dǎo)致邊緣速率超出MIPI規(guī)范。不過，應(yīng)該注意的是，即使波形3的邊緣速率可能不符合D PHY MIPI互操作性規(guī)范的推薦數(shù)值，系統(tǒng)仍然能夠全面工作，并滿足“眼”圖要求。實(shí)際的手機(jī)PCB設(shè)計(jì)中，原型建立即是最終的互操作“一致性”測(cè)試。很多時(shí)候，環(huán)境會(huì)產(chǎn)生較大的影響，因此，好的PCB設(shè)計(jì)（通孔、連接器和適當(dāng)?shù)牟罘肿杩梗?、正確地選擇器件和布局是最重要的。

　　圖3 插入模擬開關(guān)后的入射波特性與MIPI眼圖的比較

　　那么，如何把相機(jī)模塊OR'ing的舊有并行總線架構(gòu)轉(zhuǎn)換為帶雙相機(jī)（或雙LCD）的更穩(wěn)健可靠的系統(tǒng)呢（見圖2）？第一個(gè)選擇是插入一個(gè)相機(jī)隔離開關(guān)，如FSA1211。

　　圖 4展示了一個(gè)雙相機(jī)應(yīng)用中的SPST 模擬開關(guān)（FSA1211）并行架構(gòu)的入射波響應(yīng)，其通過對(duì)樁線（stubs）和不連續(xù)性的隔離來減少反射，從而提高系統(tǒng)性能。在本例中，高速下低分辨率相機(jī)及其電容將被隔離，高分辨率相機(jī)傳輸。若低分辨率相機(jī)通過SPST開關(guān)啟用，鑒于低分辨率相機(jī)的處理速度，高分辨率相機(jī)的樁線的影響極小。從示波器的描跡可看出，當(dāng)向高分辨率相機(jī)發(fā)射時(shí)，波形不連續(xù)和振鈴現(xiàn)象已幾乎消除。

　　圖4 帶SPST隔離開關(guān)的雙相機(jī)應(yīng)用

　　隨著MIPI D-PHY的面世，串行接口現(xiàn)在可用來取代并行總線，這種概念同樣適用于在雙相機(jī)/雙顯示屏應(yīng)用中利用模擬開關(guān)來實(shí)現(xiàn)隔離。

　　確保串行架構(gòu)相機(jī)模塊（見圖5）之間完全隔離的一種更好更先進(jìn)的方法是使用SPDT模擬開關(guān)（比如FSA642）。對(duì)于高分辨率雙相機(jī)應(yīng)用，這種方案尤其值得推薦。模擬開關(guān)任何一條路徑的啟用都是由相機(jī)模塊/處理器軟件堆棧來決定的，然后使用GPIO（通用輸入輸出）來觸發(fā)多路復(fù)用器。它還可專門配置為雙相機(jī)或LCD多路復(fù)用單個(gè)MIPI端口處理器時(shí)鐘及雙數(shù)據(jù)通道架構(gòu)。例如，當(dāng)用戶打開手機(jī)翻蓋或滑蓋時(shí)，外部小尺寸AMOLED顯示屏關(guān)斷，主顯示屏激活，顯示應(yīng)用圖標(biāo)。這種模擬開關(guān)具有雙向特性，還可以用來實(shí)現(xiàn)單個(gè)相機(jī)或顯示屏與雙處理器之間的多路復(fù)用。

　　圖5 采用了SPDT多路復(fù)用開關(guān)的雙相機(jī)應(yīng)用

　　通過對(duì)非傳輸相機(jī)路徑的隔離，系統(tǒng)在LP和HS流量模式之間轉(zhuǎn)換時(shí)，上升和下降邊緣速率不再因反射而下降，眼圖保持打開。這種架構(gòu)也適用于雙顯示屏應(yīng)用。

　　模擬開關(guān)不論是作為媒體通道還是D-PHY Tx的一部分，其互操作性測(cè)試都證明了它具有至少800Mbps的性能。

　　為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能，需要關(guān)注物理板和布線的細(xì)節(jié)，盡量減少對(duì)信號(hào)完整性的影響非常重要。

　　PCB設(shè)計(jì)與布線

　　除了PCB走線匹配的一般性考慮事項(xiàng)，比如最小化樁線（stub）長(zhǎng)度，保持100Ω±20%的差分阻抗，通孔最小化，避免90度走線等規(guī)則之外，在PCB材料和信號(hào)層數(shù)目方面，也有一些十分有益的建議。

　　現(xiàn)在列出一些重要建議如下：

　　• 首先是主要差分信號(hào)的布線，必須放在在GND層的鄰近信號(hào)層上，長(zhǎng)度1.0mm～1.5mm；

　　• 保持差分信號(hào)走線長(zhǎng)度小于75mm（最好25mm）；

　　• 差分信號(hào)線路上避免共模扼流圈，除非對(duì)EMI必不可少；

　　• 參考微帶線和帶狀線使用指南，比如使差分串行線路與鄰近接地層隔離；如果信號(hào)必須穿過高速差分信號(hào)，則需確保其采用垂直方式。

　　本文討論的MIPI模擬開關(guān)，對(duì)于HS流量模式，其上升/下降時(shí)間為150ps～450ps，它應(yīng)該盡可能靠近MIPI控制器或驅(qū)動(dòng)器輸出放置。VCC去耦（0.1μF和/或1μF） 也應(yīng)該盡可能靠近開關(guān)引腳放置。

　　總而言之，系統(tǒng)工程師不必?fù)?dān)心插入到D-PHY發(fā)射器和接收器之間的模擬開關(guān)會(huì)引起什么問題。相反，模擬開關(guān)針對(duì)MIPI D-PHY系統(tǒng)環(huán)境進(jìn)行了優(yōu)化，加之出色的信號(hào)完整性技術(shù)和電路板設(shè)計(jì)，能夠讓設(shè)計(jì)人員和產(chǎn)品制造商多路復(fù)用相關(guān)數(shù)據(jù)源，實(shí)現(xiàn)功能的快速擴(kuò)展。充分了解優(yōu)化模擬開關(guān)的特性以及MIPI環(huán)境中每一部分的重要性，就可以實(shí)現(xiàn)非常穩(wěn)健可靠的設(shè)計(jì)。本文討論的高性能MIPI開關(guān)擁有一個(gè)完整產(chǎn)品組合（如FSA642），這些器件非常適用于超便攜式產(chǎn)品和消費(fèi)產(chǎn)品中的MIPI D-PHY信號(hào)路徑，同時(shí)還能保持信號(hào)完整性，并優(yōu)化關(guān)鍵的用戶指標(biāo)。