能夠進(jìn)行電能回收再利用的CoolHD技術(shù)

現在市場(chǎng)中大多數便攜設備還不能處理和播放高清內容至大屏幕上。但超級智能手機、帶最新應用處理器的Tablet和各種高清多媒體應用等新型手持設備的推出，卻帶動(dòng)了新的多媒體消費類(lèi)產(chǎn)品模式。如今的終端用戶(hù)已經(jīng)習慣在大屏幕上觀(guān)看高清內容，故在便攜式設備中集成高清處理功能，使消費者能夠享受在大屏幕上觀(guān)賞高清內容成為“必備”而不是“可有可無(wú)”的一項功能。但實(shí)現這一功能需要三個(gè)必要條件：支持高清的便攜設備、播放高清內容的應用程序，以及將便攜設備與大屏幕相連的選項。而在便攜設備中添加諸多新功能的過(guò)程復雜而且昂貴，就算在復雜的技術(shù)方面實(shí)現突破，新功能對手持設備的電能消耗會(huì )也成為很大問(wèn)題。通常便攜設備的重量和其他因素會(huì )限制電池的體積，而更佳的觀(guān)看效果只能在犧牲電池續航時(shí)間的情況下實(shí)現。

什么是CoolHD技術(shù)？

隨著(zhù)新型消費類(lèi)電子設備的不斷增多，我們對能源的需求也在日益增加。很多國家開(kāi)始對設備能源消耗做出規定，而能源的回收和利用也成為一個(gè)現實(shí)而獨特的解決方案。硅谷數模半導體是CoolHD技術(shù)的研發(fā)者和推廣者。該技術(shù)能夠回收被浪費的電能，使其被重新利用來(lái)為芯片供電。這意味著(zhù)CoolHD技術(shù)在將高清多媒體內容顯示到數字電視時(shí)，不需要從便攜設備電池中攝取電能，即實(shí)現了零功耗。在這一過(guò)程中，這一獨特技術(shù)能夠延長(cháng)便攜設備電池壽命，增長(cháng)設備續航時(shí)間，減少充電次數，因此提高設備了使用效率，為終端用戶(hù)帶來(lái)更長(cháng)時(shí)間和更好的使用效果。

從基本的連接原理談起想要完全了解CoolHD技術(shù)與其優(yōu)勢，我們需要先明白兩個(gè)音視頻設備之間的基本電子連接原理。除了無(wú)線(xiàn)設備，任何兩個(gè)音視頻設備之間的連接需要通過(guò)線(xiàn)纜來(lái)傳輸多媒體數據，這個(gè)線(xiàn)纜連接被稱(chēng)為“DC Couple”(直流耦合)或“AC Couple”(交流耦合)。對多媒體連接來(lái)說(shuō)，音視頻設備負責輸出數據的是“源端”或“發(fā)送端”，而接收數據設備則是“終端”或“接收端”。

圖1 – 源端與終端之間的直流耦合連接

在直流耦合連接中(見(jiàn)圖1)，源端與終端音視頻設備的線(xiàn)纜連接中沒(méi)有無(wú)源元件阻擋DC電流。圖中的晶體管直流耦合連接未顯示半導體設備兩端其他的驅動(dòng)晶體管。接收端的終端電阻提供兩端所需的上拉電壓。源端設備在連接中與終端設備溝通需要其自己的電源。同樣，終端設備接收源端設備出來(lái)的數據也需要其自己的電源。這樣，電流在線(xiàn)纜中直接流通使得兩個(gè)音視頻設備傳輸所需數據。最重要的是在直流耦合連接兩端的晶體管需要能夠承受并轉換到同樣的電壓。

圖2 – 源端與終端之間的交流耦合連接

在交流耦合連接中(如圖2)，兩個(gè)音視頻設備之間使用的是電容耦合。電容器阻擋直流電流通過(guò)兩個(gè)設備，只允許交流電流通過(guò)。這樣，設備一端的變動(dòng)率傳到另外一端，同時(shí)阻礙電流直接通過(guò)。不像直流耦合連接，交流耦合連接兩端的晶體管不需要有同樣的電壓。

因此，交流耦合能夠使集成電路設備在不同電壓下工作，有助推進(jìn)集成電路設備向深亞微型技術(shù)發(fā)展的趨勢。另外，深亞微米技術(shù)中為減少功耗而降低了集成電路設備電壓。電子設備業(yè)內為能夠提高功能的兼容性和集成度同時(shí)降低成本，通常會(huì )研發(fā)SoC。所以，深亞微型技術(shù)在提高集成度的同時(shí)也降低功耗。與此同時(shí)，集成電路設備是不同的工藝生產(chǎn)的，因此，互相之間會(huì )有電壓差異。交流耦合連接能夠驅動(dòng)數據在不同電壓的兩個(gè)集成電路設備中傳輸。兩端可以互相溝通其電壓變動(dòng)率定義。但不管是直流耦合還是交流耦合，音視頻設備在互相溝通傳輸數據的過(guò)程中，終端和源端都在不停的消耗電能。

高清互聯(lián)互通的需求日益增大HDMI主要是為能夠直接插到墻上電源上取電的消費類(lèi)電子設備而設計的。雖然芯片制造商們一直想提高SoC的功能集成度，而降低功耗對他們來(lái)說(shuō)并不重要。在過(guò)去幾年里便攜式多媒體設備和超智能手機陸續問(wèn)世，它們的處理能力接近普通計算機，但它們的小體積和小屏幕成為提供更好用戶(hù)體驗的路障。自高清電視的推出，消費者已經(jīng)非常適應在大屏幕上欣賞高清內容。便攜式產(chǎn)品集成高清內容處理能力帶動(dòng)了將這些小型設備與大型高清顯示器連接的需求。

硅谷數模(Analogix)有著(zhù)雄厚的數?；旌闲盘栐O計和HDMI標準技術(shù)的積累，研發(fā)了獨特的電能回收利用執行構架。HDMI技術(shù)在兩音視頻設備的直流耦合連接這一原理上運行。也就是說(shuō)，源端或發(fā)送器負責輸出高清內容至終端或接收器。硅谷數模成功研發(fā)了一種創(chuàng )新的直流耦合連接執行方式，該技術(shù)能夠回收源端中浪費掉的電能，然后重新加以利用，使得源端無(wú)需外接電源。這一技術(shù)被稱(chēng)為CoolHD技術(shù)。

CoolHD技術(shù)實(shí)現電能的回收和利用往往復雜的技術(shù)實(shí)施方式可以用很簡(jiǎn)單的語(yǔ)言來(lái)描述，而在下一代集成電路計設計模式中，這些簡(jiǎn)單的描述方式可幫助我們改變其設計規范。為了不過(guò)于復雜化本文，我們無(wú)需完全了解HDMI技術(shù)，只需要探討一個(gè)系統中兩集成電路設備通過(guò)一條線(xiàn)纜連接的直流耦合連接。

圖3 – CoolHD技術(shù)實(shí)施構架框圖

在圖3中，CoolHD發(fā)送器通過(guò)線(xiàn)纜與標準接收器以直流耦合方式連接。圖中紅線(xiàn)區域中顯示源驅動(dòng)器到地連接中加入了CoolHD電路。這些CoolHD電路負責在發(fā)送器中回收和重新利用電能。啟動(dòng)電路使用非常小的電流來(lái)產(chǎn)生偏壓(見(jiàn)圖3中的G1與G2)。低壓降電壓調節器負責提供不同電壓至源端或終端IC設備。因此只要線(xiàn)纜連接著(zhù)接收器，這種電能的回收和重新利用就會(huì )繼續。

這一技術(shù)的創(chuàng )新之處在于源端無(wú)需上游供電來(lái)工作，源端設備與終端相連接就可以為自己供電。只要源端從上游得到內容就會(huì )傳輸給其下游的終端，這樣源端與終端之間的數據傳輸就總在繼續。當終端斷電時(shí)，也就是終端不需要從上游得到有效載荷，源端將還原到初始狀態(tài)。

CoolHD技術(shù)能為便攜設備帶來(lái)什么？

將CoolHD的技術(shù)優(yōu)勢正確完全的描述很重要。在硅谷數模的實(shí)驗室中，工程師們測量了一款市場(chǎng)中熱賣(mài)的一流高清便攜設備的功耗。這一款便攜設備中集成了應用處理器，能夠處理并輸出從VGA到Full-HD(1,080p)的分辨率。我們在測試中將一個(gè)同樣的應用處理器中集成了普通HDMI發(fā)送器，并在另外一個(gè)相同的應用處理器中集成了硅谷數模的CoolHD HDMI發(fā)送器。工程師們同時(shí)測試著(zhù)兩個(gè)實(shí)驗設備來(lái)充分理解CoolHD技術(shù)的優(yōu)勢。

一個(gè)屏幕的顯示功能被定義為一定的豎直列和水平行數量在一定的刷新率刷新。例如，發(fā)送器在60Hz發(fā)送VGA分辨率。VGA要求有640個(gè)直行和480個(gè)水平行。為達到60Hz的刷新率，每畫(huà)面每秒要刷新60次。640個(gè)豎直列和480個(gè)水平行縱橫在一起就成為640 x 480的矩陣，矩陣上每個(gè)組成元素就是一個(gè)屏幕上的像素。每個(gè)像素最基本的色深是紅、綠和藍色。每個(gè)像素的基本色彩被一系列的數字比特驅動(dòng)，呈現為屏幕上所顯現的像素顏色。像素時(shí)鐘負責控制晶體管電路組的開(kāi)和關(guān)，從而控制像素在屏幕上的顯示。因此更高的分辨率意味著(zhù)更高的像素。也就是說(shuō)為達到更高的分辨率有更多的像素要被像素時(shí)鐘控制。

圖4 – 手持設備應用處理器中普通HDMI和CoolHD? HDMI源端功耗對比

圖4中顯示了不同分辨率的像素時(shí)鐘頻率，從VGA到Full-HD。工程師們測試了應用處理器本身的功耗，應用處理器集成普通HDMI發(fā)送器后的功耗，和應用處理器集成CoolHD HDMI發(fā)送器后的功耗。應用處理器自身功耗是在輸出最低分辨率(如VGA)時(shí)記錄的，在測試中成為基礎數據。其他功耗數據除以基礎數據得到了最終圖中使用的“功耗指數”。

從圖4中可見(jiàn)功耗與視頻像素時(shí)鐘頻率有直接關(guān)系。當顯示的分辨率增加，像素也自然需要增加來(lái)支持，同樣，在不斷顯示畫(huà)面時(shí)，像素時(shí)鐘頻率必須增加來(lái)處理一個(gè)時(shí)間段中更高的像素。這樣提高分辨率自然就增加了應用處理器的功耗。高清多媒體內容需要通過(guò)HDMI連接來(lái)傳輸，而普通HDMI發(fā)送器會(huì )增加應用處理器的功耗。一般情況下，HDMI像素時(shí)鐘頻率是原始視頻像素時(shí)鐘頻率的10倍。我們的測試顯示應用處理器集成了HDMI后的功耗，是應用處理器單獨工作功耗的1.45倍。但集成了硅谷數模CoolHD HDMI發(fā)送器的應用處理器的功耗與應用處理器單獨工作功耗一致，并未添加更多的功耗。因此清楚可見(jiàn)CoolHD HDMI發(fā)送器在輸出高清數據時(shí)沒(méi)有使用外接電源。