LCD和相機總線方案中的功率轉折點

　　摘要：

　　當今手機的一個共同發(fā)展趨勢是LCD和相機總線的串行化，這是為了降低柔性PCB 成本，節(jié)省 PCB 空間，以及減少 EMI 組件。然而，在串行方案設計方面，人們可能認為：這些串行化方案會增加額外的功耗，原因是增加了器件。本文將闡明若能降低基帶驅動輸出，使其配合串化器輸入的較低驅動需求，那么串行化方案能夠降低鏈路功耗。設計人員如能了解 LCD 或相機總線的這一 “功率轉折” 點，就能降低設計功耗。

　　串行化趨勢：

　　隨著手機需要實現的功能越來越多，且外形越來越復雜，人們開始采用串行化技術來達到手機的設計目標。采用串行化技術就可使用較窄的柔性PCB (FPCB)，減少PCB空間，省去一些不必要的 EMI 組件，通過使用較小的連接器來提高可靠性。采用串行化技術，設計人員可以大幅減少通過 FPCB 發(fā)送的信號線數量，從而實現更小巧、更復雜的連接 設計。但即便有這些好處，人們還是心存疑慮：增加額外的器件來實現串行化方案，會不會導致系統(tǒng)功耗增加。鑒于手機設計有嚴格的功耗限制，因此，本文將討論采用串行化技術降低功耗的真實性。

　　并行實現方案：

　　圖1所示為一個典型的并行方案。

　　圖1：典型的并行方案。

　　在這個架構中，基帶處理器 (baseband processor, BP) 驅動電路的負載包括主PCB的走線、FPCB、FPCB連接器，以及翻蓋PCB上的走線和最終的顯示器負載。BP驅動電路必須能夠直接采用 LVCMOS 信令來驅動該負載。

　　采用RGB接口的顯示器可能需要高達24位的數據，而這對WQVGA顯示來說就需要8MHz或更高的帶寬，具體要視顯示屏分辨率而定。顯示屏分辨率越高，顯示器接口所需的信號帶寬就越大。

　　串行方案：

　　在串行顯示方案中，在主PCB和翻蓋PCB的數據通道上放置了一對器件。串化器位于主PCB上，將并行顯示數據轉換成串行數據流，并通過FPCB傳送到解串器。根據所采用的串行化架構而定，可以把數個串行數據信號縮減為一對差分信號。解串器將串行數據流轉換成驅動顯示器接口的并行數據流 (參見圖2)。

　　圖2：串行實現方案。

　　并行方案和串行方案有著重要的差別，而正是這些差別使得串行方案得以減少鏈路功耗。在主PCB上使用一個串化器后，BP 輸出驅動電路的要求就大大降低，這是因為串化器輸入的驅動負載比并行顯示器通道所需的低得多。采用串行接口后，BP還可降低輸出電壓，并允許串化器處理到顯示器驅動電路的電平轉換。例如，顯示器工作電壓為2.7V，BP可將輸出到串化器的電壓降至1.8V。然后，解串器將產生顯示器所需的2.7V信號。

　　此外，大多數串行方案采用差分信令協議，類似于低壓差分信號 (LVDS)。這種信號能大幅降低通過FPCB傳送數據所需的電壓振幅，還可減小信號鏈路的EMI。通過減小信號振幅，并因串行流中EMI減小而取消雙重屏蔽FPCB，串行方案就可以降低功耗。

　　功率轉折點：

　　對于給定的應用，采用串行方案開始比采用并行方案節(jié)省功耗的轉變點在于功率轉折點。就我們的例子而言，使用系統(tǒng)參數的經驗估算數值，通過比較手機中串行與并行數據路徑的顯示鏈路功耗，就可以近似得到功率轉折點?？蓮囊韵路匠痰玫絼討B(tài)功耗：

　　在這一方程中：

　　C = 被驅動鏈路的有效負載電容

　　V = 顯示信號的電壓幅度

　　FCLK = 顯示數據通道帶寬

　　AFACTOR = 顯示信號的有效活動因子 (數據位電平轉換的平均速率)

　　NBITS = 顯示通道數據位寬

　　圖3：動態(tài)功率計算

　　在這些參數中，除C和AFACTOR之外大多數已在本文中討論過，C與系統(tǒng)相關，就并行方案而言，C可取值80pF來估算包括PCB走線，柔性連接器、FPCB、ESD/EMI部件以及顯示驅動電路輸入負載在內的典型應用。而AFACTOR與數據相關，并隨應用的不同而存在很大的差異，但在本計算中，則假設為50%。

　　使用這些參數以及圖3的方程，根據下面的參數計算出并行方案的功耗為29mW。

　　C = 80pf

　　V = 2.7V

　　Fclk = 8MHz

　　Afactor = 50%

　　Nbits = 24

　　對于串行方案，功耗計算稍有不同。這里采用的方法是同時計算BP驅動串化器的功耗，以及解串器驅動顯示驅動電路的功耗。

　　按照下面的參數，BP驅動串化器的功耗為0.5mW。

　　C=3pf

　　V=1.8V

　　Fclk=8MHz

　　Afactor=50%

　　Nbits=24

　　由此可見，由于BP輸出負載減小，因而可降低BP IO的電壓和驅動電流，從而大幅降低功耗。

　　使用同樣的方法，按以下參數計算出解串器驅動顯示驅動電路的功耗為14.5mW。

　　C=40pf

　　V=2.7V

　　Fclk=8MHz

　　Afactor=50%

　　Nbits=24

　　按此計算，本例的功率轉折點為14mW，即并行功耗和串行方案的并行部分功耗之差。這個功率轉折點決定了串行鏈路功耗達到平衡的閾值。對于本例，目前的串行方案的功耗指標為20mW以下。這意味著增加串行化處理的設計功耗僅增加6mW以下。如果進一步降低功耗，例如取消并行方案中常用的一些無源部件，串行方案便能夠真正達到功率轉折點。

　　通過精細地實施串行化，可以進一步降低顯示數據路徑的功耗，從而提高功率轉折點，這可包括取消一些EMI部件，以及顯示數據路徑上的ESD保護器件，因為在串行方案中，串化器和解串器對可為BP和顯示驅動電路提供抵御 FPCB 上電流瞬變的ESD保護。

　　串行方案進一步降低功耗的另一個途徑，是將解串器集成到顯示驅動電路中，目前已采用于某些應用。這樣就可以大大降低解串器的大電容負載，從而進一步降低功耗。即便在未集成解串器的應用中，仍然可讓解串器靠近顯示驅動電路，從而減小數據通道走線的長度和負載，進而降低功耗。

　　總結：

　　串行化技術已越來越多地應用到當今的手機設計中。串行化技術主要用于節(jié)省空間，但人們往往認為這會大幅增加系統(tǒng)功耗。本文消除了這種疑慮，并闡明了串行化技術實際降低功耗的原理。目前的串行化解決方案正在縮小串行功耗與功率轉折點間的差距。這意味著，除串行化技術給設計帶來的其它好處之外，串行解決方案的鏈路功耗能夠降低，因而整個系統(tǒng)的功耗得以降低。