D-PHY MIPI雙相機/雙顯示屏應用中的模擬開關

移動行業處理器接口聯盟（MIPI）標準在行動裝置行業日益流行。現在的行動裝置普遍都帶有雙屏顯示和/或雙相機架構，尤其是在中高端產品中。MIPI標準最初定義為點到點架構，故第一代處理器、傳感器模塊和顯示屏都只有單個MIPI埠。

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　　本文描述如何利用模擬開關，讓原有處理器能夠在不影響現有系統架構的條件下，輕鬆與雙相機或雙顯示屏連接，並且在實際應用中通過隔離加載在MIPI總線上的第二個相機（或顯示屏）的傳輸線影響來增強系統性能。此外，模擬開關具有雙向能力，還能夠實現協處理器到單個相機或顯示屏的多路復用，同時不影響性能。

　　隨著新型概念手機向三屏顯示發展，模擬開關多路器甚至對更先進的帶2個MIPI埠的處理器也大有益處。因此，了解模擬開關的使用方法及其優點將有助於改進或升級行動裝置通過原有或下一代處理器而實現的功能。

　　在對開關應用予以深入討論之前，我們簡要總結一下行動裝置目前存在的可推動模擬開關運用的一些發展趨勢。

　　消費者希望儘可能快速高效地訪問信息，比如天氣、時間、股票行情、簡訊等——不論他們的手機電池狀態如何；而且他們喜歡不必打開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）無需頻繁使用主觸控螢幕即可提供這種功能，而主觸控螢幕常常被留做瀏覽、視頻會議、音樂和應用程式控制等應用。模擬開關就可以支持這類多路復用。

　　對於雙相機應用，作為消費者，我們希望能夠隨時抓拍到那些自然可愛的鏡頭，並把它們放在「圖像」（或視頻中），我們可以選擇帶有一個12MP高清相機和一個5MP相機的手機。在社交網絡方面，你也許希望未來手機的功能組合裡包含支持3G技術的視頻會議功能（網絡攝像）。模擬開關能夠多路復用和隔離相機的數據路徑，從而提高兩個相機之間電氣接口的穩健性。

　　那麼，模擬開關是如何適用於MIPI架構的呢？模擬開關可被視為一個媒體通道，作為傳輸線互連結構（TLIS）的一部分（圖1A），或MIPI發射器的一部分（圖1B）。實際中，兩者是一回事，但從模擬開關互操作性的角度來看，最好視之為TLIS的一部分，以準確確定其S參數特性。因為若把它視為發射器的一部分，則需進行D-PHY發射器一致性測試以確保互操作性。

　　

　　圖1A 模擬開關作為TLIS（媒體通道）的一部分

　　圖1B 模擬開關作為MIPI系統的一部分

　　系統設計人員常常擔心在點到點總線架構中插入一個模擬開關可能會引入插入損耗，導致系統或互操作性故障。最近幾年，隨著在USB環境中大量使用模擬開關來實現USB連接器上多路復用USB、UART或音頻數據，這種顧慮大為減少。對於MIPI架構，也有著同樣的轉變和樂觀前景。

　　模擬開關的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，儘量減少不連續點，並實現阻抗匹配。在採用模擬開關來獲得良好的信號完整性時，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、端子和總線負載。

　　圖2所示為一個傳統的舊有的雙相機「共享」並行總線架構（高解析度和低解析度）及其入射波響應。當信號在處理器和相機模塊之間傳輸時，波形不連續。而上升或下降邊緣的任何不連續都將導致無法滿足MIPI互操作性規範的要求。

　　

　　圖2 雙相機的總線共享架構

　　通過驅動2個同時被供電和端接的MIPI接收端子板（RTB），可以輕鬆實現圖2所示的雙相機環境的驗證。對於這種架構，當系統從低功率（LP）模式向高速（HS）流量模式轉換時，反射將導致邊緣速率的下降。當處於HS模式時，差分信號的振幅和邊緣速率也出現下降，因此致使眼圖關閉。如果兩個RTB中有一個關斷或未端接，這種下降還會更嚴重，使眼圖進一步關閉。

　　如何解決這一問題呢？解決方案是增加一個模擬開關。

　　在插入模擬開關時，關鍵的影響因素仍然是入射波響應，因為開關可被視為一個不連續點。必需對開關的RC特性進行優化，以儘量減少反射，減小邊緣速率下降的幅度，從而提高「眼圖」性能。乍想之下，開關帶來的額外CON/COFF也許會被認為有損系統性能，但實際中，去除不連續點的反射，足以抵消掉插入模擬開關所帶來的額外電容和串聯電感的害處。

　　MIPI規範使用0.3*UI作為互操作性的標準，這樣一來，都希望自己的系統運行速度越快，開關CON/COFF 特性就變得越關鍵，這是由於該參數會影響到邊緣速率，從而影響到0.3*UI標準。即使不滿足0.3*UI標準，也不意味著開關的插入會導致系統故障或互操作性測試不合格。開關的RON影響著發射器和接收器之間的電壓降，所以在插入模擬開關時需要滿足接收器（Rx）靈敏度閾值。但在一般情況下，這往往被忽略，因為通過開關驅動的電流很小，電壓降通常在10mV或以下（電壓擺幅《5%）。圖3中，波形1強調過快邊緣上升速率或過短邊緣上升時間（《150psec）的潛在影響；波形2為最佳情況，邊緣速率《0.3*UI ；波形3顯示了過長邊緣上升時間可能導致邊緣速率超出MIPI規範。不過，應該注意的是，即使波形3的邊緣速率可能不符合D PHY MIPI互操作性規範的推薦數值，系統仍然能夠全面工作，並滿足「眼」圖要求。實際的手機PCB設計中，原型建立即是最終的互操作「一致性」測試。很多時候，環境會產生較大的影響，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 插入模擬開關後的入射波特性與MIPI眼圖的比較

　　那麼，如何把相機模塊OR'ing的舊有並行總線架構轉換為帶雙相機（或雙LCD）的更穩健可靠的系統呢（見圖2）？第一個選擇是插入一個相機隔離開關，如FSA1211。

　　圖 4展示了一個雙相機應用中的SPST 模擬開關（FSA1211）並行架構的入射波響應，其通過對樁線（stubs）和不連續性的隔離來減少反射，從而提高系統性能。在本例中，高速下低解析度相機及其電容將被隔離，高解析度相機傳輸。若低解析度相機通過SPST開關啟用，鑑於低解析度相機的處理速度，高解析度相機的樁線的影響極小。從示波器的描跡可看出，當向高解析度相機發射時，波形不連續和振鈴現象已幾乎消除。

　　

　　圖4 帶SPST隔離開關的雙相機應用

　　隨著MIPI D-PHY的面世，串行接口現在可用來取代並行總線，這種概念同樣適用於在雙相機/雙顯示屏應用中利用模擬開關來實現隔離。

　　確保串行架構相機模塊（見圖5）之間完全隔離的一種更好更先進的方法是使用SPDT模擬開關（比如FSA642）。對於高解析度雙相機應用，這種方案尤其值得推薦。模擬開關任何一條路徑的啟用都是由相機模塊/處理器軟體堆棧來決定的，然後使用GPIO（通用輸入輸出）來觸發多路復用器。它還可專門配置為雙相機或LCD多路復用單個MIPI埠處理器時鐘及雙數據通道架構。例如，當用戶打開手機翻蓋或滑蓋時，外部小尺寸AMOLED顯示屏關斷，主顯示屏激活，顯示應用圖標。這種模擬開關具有雙向特性，還可以用來實現單個相機或顯示屏與雙處理器之間的多路復用。

　　

　　圖5 採用了SPDT多路復用開關的雙相機應用

　　通過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，上升和下降邊緣速率不再因反射而下降，眼圖保持打開。這種架構也適用於雙顯示屏應用。

　　模擬開關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。

　　為了進一步提高系統性能，需要關注物理板和布線的細節，儘量減少對信號完整性的影響非常重要。

　　PCB設計與布線

　　除了PCB走線匹配的一般性考慮事項，比如最小化樁線（stub）長度，保持100Ω±20%的差分阻抗，通孔最小化，避免90度走線等規則之外，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，必須放在在GND層的鄰近信號層上，長度1.0mm～1.5mm；

　　• 保持差分信號走線長度小於75mm（最好25mm）；

　　• 差分信號線路上避免共模扼流圈，除非對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；如果信號必須穿過高速差分信號，則需確保其採用垂直方式。

　　本文討論的MIPI模擬開關，對於HS流量模式，其上升/下降時間為150ps～450ps，它應該儘可能靠近MIPI控制器或驅動器輸出放置。VCC去耦（0.1μF和/或1μF） 也應該儘可能靠近開關引腳放置。

　　總而言之，系統工程師不必擔心插入到D-PHY發射器和接收器之間的模擬開關會引起什麼問題。相反，模擬開關針對MIPI D-PHY系統環境進行了優化，加之出色的信號完整性技術和電路板設計，能夠讓設計人員和產品製造商多路復用相關數據源，實現功能的快速擴展。充分了解優化模擬開關的特性以及MIPI環境中每一部分的重要性，就可以實現非常穩健可靠的設計。本文討論的高性能MIPI開關擁有一個完整產品組合（如FSA642），這些器件非常適用於超可攜式產品和消費產品中的MIPI D-PHY信號路徑，同時還能保持信號完整性，並優化關鍵的用戶指標。