D-PHY MIPI双相机/双显示屏应用中的模拟开关

■ 飞兆半导体首席工程师 Graham LS Connolly
    飞兆半导体应用工程师 Tony Lee

移动行业处理器接口联盟（MIPI）标准在移动设备行业日益流行。现在的移动设备普遍都带有双屏显示和/或双相机架构，尤其是在中高端产品中。MIPI标准最初定义为点到点架构，故第一代处理器、传感器模块和显示屏都只有单个MIPI端口。

本文描述如何利用模拟开关，让原有处理器能够在不影响现有系统架构的条件下，轻松与双相机或双显示屏连接，并且在实际应用中通过隔离加载在MIPI总线上的第二个相机(或显示屏)的传输线影响来增强系统性能。此外，模拟开关具有双向能力，还能够实现协处理器到单个相机或显示屏的多路复用，同时不影响性能。

随着新型概念手机向三屏显示发展，模拟开关多路器甚至对更先进的带2个MIPI端口的处理器也大有益处。因此，了解模拟开关的使用方法及其优点将有助于改进或升级移动设备通过原有或下一代处理器而实现的功能。

在对开关应用予以深入讨论之前，我们简要总结一下移动设备目前存在的可推动模拟开关运用的一些发展趋势。

消费者希望尽可能快速高效地访问信息，比如天气、时间、股票行情、短信等——不论他们的手机电池状态如何；而且他们喜欢不必打开手机翻盖或滑盖就能够获得这些信息。一种尺寸更小的显示屏(AMOLED或E-ink)无需频繁使用主触摸屏即可提供这种功能，而主触摸屏常常被留做浏览、视频会议、音乐和应用程序控制等应用。模拟开关就可以支持这类多路复用。

对于双相机应用，作为消费者，我们希望能够随时抓拍到那些自然可爱的镜头，并把它们放在“图像”(或视频中)，我们可以选择带有一个12MP高清相机和一个5MP相机的手机。在社交网络方面，你也许希望未来手机的功能组合里包含支持3G技术的视频会议功能(网络摄像)。模拟开关能够多路复用和隔离相机的数据路径，从而提高两个相机之间电气接口的稳健性。

那么，模拟开关是如何适用于MIPI架构的呢？模拟开关可被视为一个媒体通道，作为传输线互连结构(TLIS)的一部分（图1A），或MIPI发射器的一部分(图1B)。实际中，两者是一回事，但从模拟开关互操作性的角度来看，最好视之为TLIS的一部分，以准确确定其S参数特性。因为若把它视为发射器的一部分，则需进行D-PHY发射器一致性测试以确保互操作性。



图1A 模拟开关作为TLIS(媒体通道)的一部分
图1B 模拟开关作为MIPI系统的一部分

系统设计人员常常担心在点到点总线架构中插入一个模拟开关可能会引入插入损耗，导致系统或互操作性故障。最近几年，随着在USB环境中大量使用模拟开关来实现USB连接器上多路复用USB、UART或音频数据，这种顾虑大为减少。对于MIPI架构，也有着同样的转变和乐观前景。

模拟开关的RC特性当然必需予以考虑，但更重要的是确保良好的PCB设计，尽量减少不连续点，并实现阻抗匹配。在采用模拟开关来获得良好的信号完整性时，需要考虑的因素还有：处理器特性(尤其是IOH/IOL)，柔性电缆和连接器设计，额外的滤波器/ESD器件、端子和总线负载。

图2所示为一个传统的旧有的双相机“共享”并行总线架构（高分辨率和低分辨率）及其入射波响应。当信号在处理器和相机模块之间传输时，波形不连续。而上升或下降边缘的任何不连续都将导致无法满足MIPI互操作性规范的要求。



图2 双相机的总线共享架构

通过驱动2个同时被供电和端接的MIPI接收端子板(RTB)，可以轻松实现图2所示的双相机环境的验证。对于这种架构，当系统从低功率(LP)模式向高速(HS)流量模式转换时，反射将导致边缘速率的下降。当处于HS模式时，差分信号的振幅和边缘速率也出现下降，因此致使眼图关闭。如果两个RTB中有一个关断或未端接，这种下降还会更严重，使眼图进一步关闭。

如何解决这一问题呢？解决方案是增加一个模拟开关。

在插入模拟开关时，关键的影响因素仍然是入射波响应，因为开关可被视为一个不连续点。必需对开关的RC特性进行优化，以尽量减少反射，减小边缘速率下降的幅度，从而提高“眼图”性能。乍想之下，开关带来的额外CON/COFF也许会被认为有损系统性能，但实际中，去除不连续点的反射，足以抵消掉插入模拟开关所带来的额外电容和串联电感的害处。

MIPI规范使用0.3*UI作为互操作性的标准，这样一来，都希望自己的系统运行速度越快，开关CON/COFF 特性就变得越关键，这是由于该参数会影响到边缘速率，从而影响到0.3*UI标准。即使不满足0.3*UI标准，也不意味着开关的插入会导致系统故障或互操作性测试不合格。开关的RON影响着发射器和接收器之间的电压降，所以在插入模拟开关时需要满足接收器(Rx)灵敏度阈值。但在一般情况下，这往往被忽略，因为通过开关驱动的电流很小，电压降通常在10mV或以下(电压摆幅<5%)。图3中，波形1强调过快边缘上升速率或过短边缘上升时间(<150psec)的潜在影响；波形2为最佳情况，边缘速率<0.3*UI ；波形3显示了过长边缘上升时间可能导致边缘速率超出MIPI规范。不过，应该注意的是，即使波形3的边缘速率可能不符合D PHY MIPI互操作性规范的推荐数值，系统仍然能够全面工作，并满足“眼”图要求。实际的手机PCB设计中，原型建立即是最终的互操作“一致性”测试。很多时候，环境会产生较大的影响，因此，好的PCB设计(通孔、连接器和适当的差分阻抗)、正确地选择器件和布局是最重要的。



图3 插入模拟开关后的入射波特性与MIPI眼图的比较

那么，如何把相机模块OR&apos;ing的旧有并行总线架构转换为带双相机(或双LCD)的更稳健可靠的系统呢(见图2)？第一个选择是插入一个相机隔离开关，如FSA1211。

图 4展示了一个双相机应用中的SPST 模拟开关(FSA1211)并行架构的入射波响应，其通过对桩线(stubs)和不连续性的隔离来减少反射，从而提高系统性能。在本例中，高速下低分辨率相机及其电容将被隔离，高分辨率相机传输。若低分辨率相机通过SPST开关启用，鉴于低分辨率相机的处理速度，高分辨率相机的桩线的影响极小。从示波器的描迹可看出，当向高分辨率相机发射时，波形不连续和振铃现象已几乎消除。



图4 带SPST隔离开关的双相机应用

随着MIPI D-PHY的面世，串行接口现在可用来取代并行总线，这种概念同样适用于在双相机/双显示屏应用中利用模拟开关来实现隔离。

确保串行架构相机模块(见图5)之间完全隔离的一种更好更先进的方法是使用SPDT模拟开关(比如FSA642)。对于高分辨率双相机应用，这种方案尤其值得推荐。模拟开关任何一条路径的启用都是由相机模块/处理器软件堆栈来决定的，然后使用GPIO(通用输入输出)来触发多路复用器。它还可专门配置为双相机或LCD多路复用单个MIPI端口处理器时钟及双数据通道架构。例如，当用户打开手机翻盖或滑盖时，外部小尺寸AMOLED显示屏关断，主显示屏激活，显示应用图标。这种模拟开关具有双向特性，还可以用来实现单个相机或显示屏与双处理器之间的多路复用。



图5 采用了SPDT多路复用开关的双相机应用

通过对非传输相机路径的隔离，系统在LP和HS流量模式之间转换时，上升和下降边缘速率不再因反射而下降，眼图保持打开。这种架构也适用于双显示屏应用。

模拟开关不论是作为媒体通道还是D-PHY Tx的一部分，其互操作性测试都证明了它具有至少800Mbps的性能。

为了进一步提高系统性能，需要关注物理板和布线的细节，尽量减少对信号完整性的影响非常重要。

PCB设计与布线

除了PCB走线匹配的一般性考虑事项，比如最小化桩线(stub)长度，保持100Ω±20%的差分阻抗，通孔最小化，避免90度走线等规则之外，在PCB材料和信号层数目方面，也有一些十分有益的建议。

现在列出一些重要建议如下：

• 首先是主要差分信号的布线，必须放在在GND层的邻近信号层上，长度1.0mm～1.5mm；

• 保持差分信号走线长度小于75mm(最好25mm)；

• 差分信号线路上避免共模扼流圈，除非对EMI必不可少；

• 参考微带线和带状线使用指南，比如使差分串行线路与邻近接地层隔离；如果信号必须穿过高速差分信号，则需确保其采用垂直方式。

本文讨论的MIPI模拟开关，对于HS流量模式，其上升/下降时间为150ps～450ps，它应该尽可能靠近MIPI控制器或驱动器输出放置。VCC去耦(0.1μF和/或1μF) 也应该尽可能靠近开关引脚放置。

总而言之，系统工程师不必担心插入到D-PHY发射器和接收器之间的模拟开关会引起什么问题。相反，模拟开关针对MIPI D-PHY系统环境进行了优化，加之出色的信号完整性技术和电路板设计，能够让设计人员和产品制造商多路复用相关数据源，实现功能的快速扩展。充分了解优化模拟开关的特性以及MIPI环境中每一部分的重要性，就可以实现非常稳健可靠的设计。本文讨论的高性能MIPI开关拥有一个完整产品组合(如FSA642)，这些器件非常适用于超便携式产品和消费产品中的MIPI D-PHY信号路径，同时还能保持信号完整性，并优化关键的用户指标。