優化MIPI D-PHY系統環境　類比開關實現多工應用

本文將描述如何利用類比開關，讓原有處理器能在不影響現有系統架構的條件下，輕鬆地與雙相機或雙顯示螢幕連接，並且在實際應用中通過隔離載入在MIPI匯流排上第二個相機(或顯示螢幕)的傳輸線影響來增強系統性能。此外，由於類比開關所具有的雙向能力，還能夠實現輔助處理器到單個相機或顯示螢幕的多工，同時不影響性能。

由於新款的概念手機正朝向三螢幕顯示的方向發展，更先進且帶有兩個MIPI埠的處理器也將受惠於類比開關多工器。因此，了解類比開關的使用方法及其優點將有助於改善行動設備通過原有或下一代處理器而實現的功能，或將這些功能升級。

多工已成行動裝置趨勢

在深入討論開關應用之前，先簡單地歸納一下在行動設備目前的一些發展趨勢中，有哪些趨勢可推動類比開關的運用。

消費者都希望可以盡可能地快速且有效率地存取資訊，例如天氣、時間、股票行情、短訊等--不論他們的手機電池狀態如何，而且喜歡不必打開手機的翻蓋或滑蓋就能夠獲得這些資訊。一種尺寸更小的顯示螢幕(AMOLED或E Ink)不須頻繁且主動地使用主觸控螢幕即可提供這種功能，而主觸控螢幕則常常會被保留以供瀏覽、視訊會議、音樂和應用程式控制等應用使用。類比開關就可以支援這類的多工工作。

對於雙相機應用，消費者希望能夠隨時擷取到那些自然可愛的一瞬間，並存放在影像(Film)或視頻)，可以選擇一個12MP的高解析度相機和一個帶有5MP相機的手機。在社交網路方面，你也許希望未來手機的功能組合裡包含支援3G技術的視訊會議功能(網路攝影)。類比開關能夠對相機的資料路徑進行多工和隔離，從而提高兩個相機之間電氣介面的穩健性。

MIPI規範盛行　類比開關成關鍵

那麼，類比開關是如何適用於MIPI架構的呢？類比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，以及MIPI發射器的一部分(圖1)。實際上，兩者是一回事，但從類比開關互通性的角度來看，最好將該開關視為TLIS的一部分，以便可以準確地確定其S參數特性。因為若把它視為發射器的一部分，則須進行D-PHY發射器一致性測試以確保互通性。

圖1　A)將類比開關當作TLIS(媒體通道)的一部分；B)則將類比開關當作MIPI系統的一部分。

系統設計人員常常擔心在點到點匯流排架構中插入一個類比開關可能會引入插入損耗(插損)，導致系統或互通性故障。最近幾年，隨著在通用序列匯流排(USB)環境中大量使用類比開關實現USB連接器上多工USB、通用異步收發器(UART)或音訊資料，使得這種顧慮也大為減少。對於MIPI架構，也有著同樣的轉變和樂觀前景。

類比開關的RC特性當然也須考慮，但更重要的是確保良好的印刷電路板(PCB)設計，儘量減少不連續點，並實現阻抗匹配。在採用類比開關來獲得良好的訊號完整性時，須考慮的因素還包括處理器特性(尤其是I_OH/I_OL)、柔性電纜和連接器設計、額外的濾波器/靜電放電(ESD)元件、和端子和匯流排負載。

圖2所示為一個傳統且舊有的雙相機「共用」平行匯流排架構(高解析度和低解析度)及其入射波回應。當訊號在處理器和相機模組之間傳輸時，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互通性規範的要求。

圖2　具有共用匯流排的雙相機架構

藉著驅動兩個同時被供電和端接的MIPI接收端子板(RTB)，可以輕易地對如圖2所示的雙相機環境進行驗證。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交通模式時，差分訊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。

增加類比開關解決問題

在插入類比開關時，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。開關的RC特性須要優化，以儘量減少反射，縮小邊緣速率下降的幅度，從而提高眼圖性能。剛開始時，開關帶來的額外C_ON/C_OFF也許會被認為有損系統性能，但實際上，去除不連續點的反射，足以抵消掉插入類比開關所帶來的額外電容和串聯電感所帶來的害處。

MIPI規範使用0.3*UI作為互通性的標準，這樣一來，系統的運行速度要越快，開關C_ON/C_OFF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無法通過互通性測試。開關的RON影響著發射器和接收器之間的電壓降，所以在插入類比開關時需要滿足接收器(R_x)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10毫伏特(mV)或以下(電壓擺幅<5%)。圖3所示為，波形1強調邊緣上升速率過快或邊緣上升時間過短(<150ps)的潛在影響；波形2為最佳情況，其中邊緣速率<0.3*UI；波形3顯示邊緣上升時間過長可能導致邊緣速率超出MIPI規範。

圖3　插入類比開關後的入射波特性與MIPI眼圖的比較

不過，應該注意的是，即使波形3的邊緣速率可能不符合MIPI D-PHY互通性規範的推薦數值，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交互操作一致性測試。很多時候，環境會有較大的影響，因此，好的PCB設計(通孔、連接器和適當的差分阻抗)、正確地選擇元件和布局是最重要的。

那麼，如何把相機模組OR'ing的舊的平行匯流排架構轉換為帶雙相機(或LCD)的更穩健可靠的系統呢(圖2)？第一個選擇是插入一個相機隔離開關。圖4顯示了一個雙相機應用中的SPST類比開關並行架構的入射波回應，藉由對殘樁(Stubs)和不連續性的隔離減少反射，從而提高系統性能。在本例中，當高速、高解析度相機傳輸時，低解析度相機及其電容將被隔離，若低解析度相機藉由SPST開關啟用，鑑於低解析度相機的處理速度，高解析度相機的殘樁的影響極小。從示波器的走線可看出，當朝高解析度相機發射時，波形不連續和振鈴的現象幾乎已消除。

圖4　帶SPST隔離開關的雙相機應用

隨著MIPI D-PHY的面世，序列介面現在可用來取代平行匯流排，這種概念同樣適用在雙相機/雙顯示螢幕應用中利用類比開關來實現隔離。

SPDT類比開關優化相機模組隔離

確保串列架構相機模組(圖5)之間完全隔離的一種更好、更先進的方法是使用SPDT類比開關。對於高解析度雙相機應用，這種方案尤其值得推薦。類比開關任何一條路徑的啟用都是由相機模組/處理器軟體堆疊決定，然後使用通用輸入輸出(GPIO)觸發多工器。此一類比開關還可特別配置為雙相機或LCD多工單個MIPI埠處理器時鐘及兩資料通道架構，例如，當用戶打開手機翻蓋或滑蓋時，外部的小尺寸主動式矩陣有機發光二極體(AMOLED)顯示螢幕關斷，而主顯示螢幕啟動，顯示應用圖示。這種類比開關具有雙向特性，還可以用來實現單個相機或顯示螢幕與雙處理器之間的多工。

圖5　採用了SPDT多工開關的雙相機應用

藉由對非傳輸相機路徑的隔離，系統在LP和高速(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螢幕應用。類比開關不論是作為媒體通道還是D-PHY T_x的一部分，其互通性測試都證明其具有至少800Mbit/s的性能。

為了進一步提高系統性能，須注意物理板和布局的細節，儘量減少對訊號完整性的影響，這非常重要。

PCB設計與布局亦為重要因素

除了PCB走線匹配的一般性考慮事項，例如最小化殘樁長度，保持100歐姆(Ω)±20%的差分阻抗、通孔最小化、避免90度走線等規則之外，在PCB材料和訊號層數目方面，也有一些十分有益的建議。

首先是主要差分訊號的布線，必須放在在GND層的鄰近訊號層上，長度約為1.0～1.5毫米(mm)；保持差分訊號走線長度小於75毫米(最好為25毫米)；差分訊號線路上避免共模扼流圈，除非為了電磁干擾(EMI)否則不可少；參考微帶線和帶狀線使用指南，如使差分串列線路與鄰近接地層隔離，若訊號必須穿過高速差分訊號，則須確保其採用垂直方式。

本文討論的MIPI類比開關，對於HS流量模式，上升/下降時間為150～450毫微微秒(ps)，應該盡可能放在靠近MIPI控制器或驅動器輸出的位置。V_CC去耦(0.1μF和/或1μF)也應該盡可能放在靠近開關接腳的位置。

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類比開關會引起什麼問題。相反地，類比開關針對MIPI D-PHY系統環境進行優化，加上訊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對相關資料來源進行多工，實現功能的快速擴展。充分了解優化類比開關的特性以及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。

(本文作者皆任職於快捷)