廣獲顯示器/相機採納 MIPI滲透行動平台設計

新通訊 2010 年 7 月號 113 期《 技術前瞻 》

文．Shawn Barden

利用具低功耗和高性能特性處理器開發新的智慧型行動電話和行動聯網裝置(Mobile Internet Device, MID)，是越來越普遍的趨勢。在這些行動應用中，新的平台能夠實現各種頻寬密集型功能，例如高品質視頻擷取、高畫素雙相機、更高的顯示畫素，以及同時支援多個顯示螢幕等。

當今世界，高科技掌上型設備廣為流行，人們或許會以為平行資料介面是一件過時的東西。畢竟平行資料介面這種架構已面世近數10年，對於如今關注小尺寸、低功耗與功能豐富的市場來說，已不再被視為能配合未來發展的技術。然而，仍有許多新型行動電話和MID設計繼續採用這種舊有介面，因為它是應用處理器唯一可用的介面。 當前，終端市場要求新設計要具有更低功耗、更高資料傳輸率和更小的印刷電路板(PCB)占用空間，在這種巨大壓力之下，一些具有更高性價比的智慧化替代方案逐漸為相關設計人員所採用。 MIPI介面滲透率快速攀升  現在使用的幾種基於標準的 差分串列介面當中，行動產業 處理器介面(Mobile Industry Processor Interface, MIPI)在功率敏感同時又要求高性能的行動掌上型設備領域中迅速增長。而基頻和顯示器/相機模組對MIPI顯示器串列介面(Display Serial Interface, DSI)和相機串列介面(Camera Serial Interface, CSI-2)協定的廣泛採納，正是這種增長的主要推動力。 DSI和CSI-2是分別針對顯示器和相機要求的邏輯層級(Logical-level)協定，透過實體互連對主機與周邊之間的資料進行管理、錯誤檢查和通訊。MIPI D-PHY規定了連接處理器和周邊實體層的物理及電氣特性。圖1為顯示器與相機路徑上的MIPI介面的高層級模組示意圖。 圖1　MIPI實現方案模組示意圖 在此舉兩個MIPI獲大規模採用的例子，包括兩大主流晶片組製造商英特爾(Intel)和邁威爾(Marvell)都在最新的行動晶片架構中整合MIPI功能，英特爾的Moorestown處理器和邁威爾的Armada 600處理器都採用MIPI的標準化DSI或CSI介面。 MIPI架構特性突顯　有助簡化設計/提升擴展性 MIPI架構可透過減少其差分串列介面中的輸入/輸出(I/O)來降低處理器的接腳數目及功耗，因而成為最佳選擇。動態可調的低功耗(Low-power, LP)資料模式和高速(High-speed, HS)資料模式以及高速模式下的低訊號擺動(Signal Swing)，也可為MIPI提供比單端介面更好的電磁干擾(EMI)輻射和EMI電磁干擾容忍性能。此外，由於連線減少，PCB設計靈活性得以提高，從而能改進連接器或周邊元件的布局。雖然這些也是許多串列介面擁有的優點，但MIPI在高速資料傳輸模式下採用低振幅訊號擺動的特點，卻是針對功率敏感型應用而量身訂做的。圖2為比較MIPI與其他差分技術的訊號擺動情況。 圖2　幾種流行的差分技術的訊號擺動振幅比較 MIPI架構的另一個主要特性是可擴展性。MIPI規定了一個差分時脈通道(Lane)和一個可擴展的資料通道(數量從一個到四個)，可根據處理器和周邊的需求來調節資料速率。而且，MIPI D-PHY規範只畫出了資料率的範圍，並沒有規定具體的工作速率。在一個應用中，可用的資料通道和資料速率都由介面兩端的元件決定。不過，目前可用的MIPI D-PHY矽智財(IP)核心可提供每資料通道高達1Gbit/s的傳輸率，這種特性意味著MIPI完全適用於當前及未來的高性能應用。 採用MIPI作為資料介面還有一大好處。由於MIPI DSI和CSI-2架構為新設計帶來靈活性，並支援XGA顯示和高於八百萬畫素相機等令人矚目的功能，故MIPI非常適合於嶄新的智慧型手機和MID設計。有了具備MIPI功能的新處理器提供的頻寬能力，就可利用單個MIPI介面來實現高畫素雙顯示和/或雙相機等新穎功能。 慎選類比開關　發揮MIPI最大效益 在採用這些功能的設計中，針對MIPI訊號進行設計和優化的大頻寬類比開關，如快捷(Fairchild)的FSA642，可用於選擇多個顯示器或相機元件。 FSA642是一款大頻寬3×差分單刀雙擲(SPDT)類比開關，能夠實現兩個周邊MIPI元件間的一個MIPI時脈通道和兩個MIPI資料通道的共用。這類開關可提供額外的優點，包括隔離未被選擇元件的「截線(Stub)」，並提高布線和周邊布局的靈活性。 為確保MIPI互連路徑上這些實體開關的成功設計，除頻寬的因素外，還必須考慮一些主要的開關參數： • 關斷隔離 為保持主動時脈/資料路徑的訊號完整性，類比開關須具備高效的關斷隔離性能。對於200毫伏特、最大共模失配(Common-mode Mismatch)5毫伏特的高速MIPI差分訊號，開關路徑之間的關斷隔離應該為-30dBm或更好。 • 差分延遲差 差分對內部訊號之間的偏移(Skew)(即差分對內的偏移)和時脈與資料通道差分交叉點之間的偏移(通道之間的偏移)必須降至50微微秒(ps)或更低。對於這些參數，目前同類型開關的最佳偏移性能在20∼30ps之間。 • 開關阻抗 在選擇類比開關時，第三個主要考慮事項是導通阻抗(RON)和導通電容(CON)的阻抗特性的完全平衡。MIPI D-PHY鏈路同時支援低功耗資料傳輸和高速資料傳輸模式。因此，開關的RON應該平衡，以優化混合工作模式的性能。理想情況下，這一參數應該分別針對每一個運作模式而規定。結合每一模式的最佳RON，保持很低的開關CON對維持接收端的迴轉率(Slew Rate)十分地重要。一般規則是，使CON低於10皮法(pF)將有助於避免高速模式下透過開關的訊號轉換時間的延長。 隨著MIPI介面架構逐漸被行動平台所採用，設計人員最終可能淘汰原有的平行介面，相比以往數代設計方法，這種替代方案能夠節省功率、空間和成本，同時幫助終端客戶提高生產率，並為其帶來更令人滿意的體驗。下一代行動設計必備的創新關鍵便是在於充分利用附有MIPI功能的處理器和周邊所提供的靈活性和功能。目前，半導體業者已推出專門針對MIPI互連路徑而設計的類比開關，可進一步擴展上述行動設備的功能特性，在終端產品中無縫整合多個高性能周邊元件。 (本文作者任職於快捷)