D-PHY MIPI雙相機/雙顯示屏應用中的模擬開(kāi)關(guān)

移動(dòng)行業(yè)處理器接口聯(lián)盟（MIPI）標準在移動(dòng)設備行業(yè)日益流行?，F在的移動(dòng)設備普遍都帶有雙屏顯示和/或雙相機架構，尤其是在中高端產(chǎn)品中。MIPI標準最初定義為點(diǎn)到點(diǎn)架構，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(kāi)關(guān)，讓原有處理器能夠在不影響現有系統架構的條件下，輕松與雙相機或雙顯示屏連接，并且在實(shí)際應用中通過(guò)隔離加載在MIPI總線(xiàn)上的第二個(gè)相機（或顯示屏）的傳輸線(xiàn)影響來(lái)增強系統性能。此外，模擬開(kāi)關(guān)具有雙向能力，還能夠實(shí)現協(xié)處理器到單個(gè)相機或顯示屏的多路復用，同時(shí)不影響性能。

　　隨著(zhù)新型概念手機向三屏顯示發(fā)展，模擬開(kāi)關(guān)多路器甚至對更先進(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(kāi)關(guān)的使用方法及其優(yōu)點(diǎn)將有助于改進(jìn)或升級移動(dòng)設備通過(guò)原有或下一代處理器而實(shí)現的功能。

　　在對開(kāi)關(guān)應用予以深入討論之前，我們簡(jiǎn)要總結一下移動(dòng)設備目前存在的可推動(dòng)模擬開(kāi)關(guān)運用的一些發(fā)展趨勢。

　　消費者希望盡可能快速高效地訪(fǎng)問(wèn)信息，比如天氣、時(shí)間、股票行情、短信等——不論他們的手機電池狀態(tài)如何；而且他們喜歡不必打開(kāi)手機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(wú)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(lè )和應用程序控制等應用。模擬開(kāi)關(guān)就可以支持這類(lèi)多路復用。

　　對于雙相機應用，作為消費者，我們希望能夠隨時(shí)抓拍到那些自然可愛(ài)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高清相機和一個(gè)5MP相機的手機。在社交網(wǎng)絡(luò )方面，你也許希望未來(lái)手機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(kāi)關(guān)能夠多路復用和隔離相機的數據路徑，從而提高兩個(gè)相機之間電氣接口的穩健性。

　　那么，模擬開(kāi)關(guān)是如何適用于MIPI架構的呢？模擬開(kāi)關(guān)可被視為一個(gè)媒體通道，作為傳輸線(xiàn)互連結構（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(kāi)關(guān)互操作性的角度來(lái)看，最好視之為T(mén)LIS的一部分，以準確確定其S參數特性。因為若把它視為發(fā)射器的一部分，則需進(jìn)行D-PHY發(fā)射器一致性測試以確?；ゲ僮餍?。

　　圖1A 模擬開(kāi)關(guān)作為T(mén)LIS（媒體通道）的一部分

　　圖1B 模擬開(kāi)關(guān)作為MIPI系統的一部分

　　系統設計人員常常擔心在點(diǎn)到點(diǎn)總線(xiàn)架構中插入一個(gè)模擬開(kāi)關(guān)可能會(huì )引入插入損耗，導致系統或互操作性故障。最近幾年，隨著(zhù)在USB環(huán)境中大量使用模擬開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現USB連接器上多路復用USB、UART或音頻數據，這種顧慮大為減少。對于MIPI架構，也有著(zhù)同樣的轉變和樂(lè )觀(guān)前景。

　　模擬開(kāi)關(guān)的RC特性當然必需予以考慮，但更重要的是確保良好的PCB設計，盡量減少不連續點(diǎn)，并實(shí)現阻抗匹配。在采用模擬開(kāi)關(guān)來(lái)獲得良好的信號完整性時(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計，額外的濾波器/ESD器件、端子和總線(xiàn)負載。

　　圖2所示為一個(gè)傳統的舊有的雙相機“共享”并行總線(xiàn)架構（高分辨率和低分辨率）及其入射波響應。當信號在處理器和相機模塊之間傳輸時(shí)，波形不連續。而上升或下降邊緣的任何不連續都將導致無(wú)法滿(mǎn)足MIPI互操作性規范的要求。

　　圖2 雙相機的總線(xiàn)共享架構

　　通過(guò)驅動(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)現圖2所示的雙相機環(huán)境的驗證。對于這種架構，當系統從低功率（LP）模式向高速（HS）流量模式轉換時(shí)，反射將導致邊緣速率的下降。當處于HS模式時(shí)，差分信號的振幅和邊緣速率也出現下降，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 )更嚴重，使眼圖進(jìn)一步關(guān)閉。

　　如何解決這一問(wèn)題呢？解決方案是增加一個(gè)模擬開(kāi)關(guān)。

　　在插入模擬開(kāi)關(guān)時(shí)，關(guān)鍵的影響因素仍然是入射波響應，因為開(kāi)關(guān)可被視為一個(gè)不連續點(diǎn)。必需對開(kāi)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(kāi)關(guān)帶來(lái)的額外CON/COFF也許會(huì )被認為有損系統性能，但實(shí)際中，去除不連續點(diǎn)的反射，足以抵消掉插入模擬開(kāi)關(guān)所帶來(lái)的額外電容和串聯(lián)電感的害處。

　　MIPI規范使用0.3*UI作為互操作性的標準，這樣一來(lái)，都希望自己的系統運行速度越快，開(kāi)關(guān)CON/COFF 特性就變得越關(guān)鍵，這是由于該參數會(huì )影響到邊緣速率，從而影響到0.3*UI標準。即使不滿(mǎn)足0.3*UI標準，也不意味著(zhù)開(kāi)關(guān)的插入會(huì )導致系統故障或互操作性測試不合格。開(kāi)關(guān)的RON影響著(zhù)發(fā)射器和接收器之間的電壓降，所以在插入模擬開(kāi)關(guān)時(shí)需要滿(mǎn)足接收器（Rx）靈敏度閾值。但在一般情況下，這往往被忽略，因為通過(guò)開(kāi)關(guān)驅動(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強調過(guò)快邊緣上升速率或過(guò)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(guò)長(cháng)邊緣上升時(shí)間可能導致邊緣速率超出MIPI規范。不過(guò)，應該注意的是，即使波形3的邊緣速率可能不符合D PHY MIPI互操作性規范的推薦數值，系統仍然能夠全面工作，并滿(mǎn)足“眼”圖要求。實(shí)際的手機PCB設計中，原型建立即是最終的互操作“一致性”測試。很多時(shí)候，環(huán)境會(huì )產(chǎn)生較大的影響，因此，好的PCB設計（通孔、連接器和適當的差分阻抗）、正確地選擇器件和布局是最重要的。

　　圖3 插入模擬開(kāi)關(guān)后的入射波特性與MIPI眼圖的比較

　　那么，如何把相機模塊OR'ing的舊有并行總線(xiàn)架構轉換為帶雙相機（或雙LCD）的更穩健可靠的系統呢（見(jiàn)圖2）？第一個(gè)選擇是插入一個(gè)相機隔離開(kāi)關(guān)，如FSA1211。

　　圖 4展示了一個(gè)雙相機應用中的SPST 模擬開(kāi)關(guān)（FSA1211）并行架構的入射波響應，其通過(guò)對樁線(xiàn)（stubs）和不連續性的隔離來(lái)減少反射，從而提高系統性能。在本例中，高速下低分辨率相機及其電容將被隔離，高分辨率相機傳輸。若低分辨率相機通過(guò)SPST開(kāi)關(guān)啟用，鑒于低分辨率相機的處理速度，高分辨率相機的樁線(xiàn)的影響極小。從示波器的描跡可看出，當向高分辨率相機發(fā)射時(shí)，波形不連續和振鈴現象已幾乎消除。

　　圖4 帶SPST隔離開(kāi)關(guān)的雙相機應用

　　隨著(zhù)MIPI D-PHY的面世，串行接口現在可用來(lái)取代并行總線(xiàn)，這種概念同樣適用于在雙相機/雙顯示屏應用中利用模擬開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現隔離。

　　確保串行架構相機模塊（見(jiàn)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(kāi)關(guān)（比如FSA642）。對于高分辨率雙相機應用，這種方案尤其值得推薦。模擬開(kāi)關(guān)任何一條路徑的啟用都是由相機模塊/處理器軟件堆棧來(lái)決定的，然后使用GPIO（通用輸入輸出）來(lái)觸發(fā)多路復用器。它還可專(zhuān)門(mén)配置為雙相機或LCD多路復用單個(gè)MIPI端口處理器時(shí)鐘及雙數據通道架構。例如，當用戶(hù)打開(kāi)手機翻蓋或滑蓋時(shí)，外部小尺寸AMOLED顯示屏關(guān)斷，主顯示屏激活，顯示應用圖標。這種模擬開(kāi)關(guān)具有雙向特性，還可以用來(lái)實(shí)現單個(gè)相機或顯示屏與雙處理器之間的多路復用。

　　圖5 采用了SPDT多路復用開(kāi)關(guān)的雙相機應用

　　通過(guò)對非傳輸相機路徑的隔離，系統在LP和HS流量模式之間轉換時(shí)，上升和下降邊緣速率不再因反射而下降，眼圖保持打開(kāi)。這種架構也適用于雙顯示屏應用。

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

　　為了進(jìn)一步提高系統性能，需要關(guān)注物理板和布線(xiàn)的細節，盡量減少對信號完整性的影響非常重要。

　　PCB設計與布線(xiàn)

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

　　現在列出一些重要建議如下：

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

　　• 保持差分信號走線(xiàn)長(cháng)度小于75mm（最好25mm）；

　　• 差分信號線(xiàn)路上避免共模扼流圈，除非對EMI必不可少；

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

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

　　總而言之，系統工程師不必擔心插入到D-PHY發(fā)射器和接收器之間的模擬開(kāi)關(guān)會(huì )引起什么問(wèn)題。相反，模擬開(kāi)關(guān)針對MIPI D-PHY系統環(huán)境進(jìn)行了優(yōu)化，加之出色的信號完整性技術(shù)和電路板設計，能夠讓設計人員和產(chǎn)品制造商多路復用相關(guān)數據源，實(shí)現功能的快速擴展。充分了解優(yōu)化模擬開(kāi)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)現非常穩健可靠的設計。本文討論的高性能MIPI開(kāi)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)品和消費產(chǎn)品中的MIPI D-PHY信號路徑，同時(shí)還能保持信號完整性，并優(yōu)化關(guān)鍵的用戶(hù)指標。