手機功能整合勢不可擋　特定應用高速開關大行其道

2008-12-18

Jeff Ju/Gerald Johnston

由於當今手機須要整合全球衛星定位系統(GPS)、電視、MP3播放和視訊播放等功能，因而特定應用的高速開關使用頻率越來越高，其中更以用於實現高速資料匯流排共用或速度高達480Mbit/s的USB 2.0訊號分路(De-multiplexing)為主。與此同時，這類開關中整合的各種數位和類比功能，對於希望增加其產品價值的設計人員別具吸引力。本文以具有電視、GPS或雙相機、甚至帶有USB充電器檢測功能手機所採用的高速類比開關應用為例，希望對讀者設計相關產品有所幫助。

電視手機帶動四路高速開關升級

隨著中國行動多媒體廣播(CMMB)標準在中國大陸行動電視市場快速推行，電視手機也在市場上極為流行。據悉，由於看好CMMB在中國市場的前景，目前進入CMMB晶片市場的廠商已超過六家，一些廠商將CMMB的通道解調與後端的訊源解碼整合，令CMMB電視實作的成本大幅下降，並且讓沒有高階處理器的手機也能提供CMMB功能。

圖1是典型的電視手機設計，其中電視模組和基頻共用SD儲存卡的讀和寫。為了實現高效切換，須要使用一個大頻寬開關來進行有效的電容隔離。資料匯流排的開路漏極(Open Drain)須要加上上拉電阻以作隔離，從而提供高效的無錯通訊。在設計中，每個安全數位輸入輸出(SDIO)介面都有一個專門的高速時脈訊號通道，使設計人員能針對不同的主機、基頻處理器或電視模組靈活地使用不同的時脈源。

圖1　電視手機中採用的高速四路開關

在30pf寄生電容負載下，類比開關中的資料和時脈通道至少須具有150MHz(-3dB)的頻寬，才能讓高速時脈訊號有效通過，且衰減最小。開關資料埠的I/O接地靜電放電(ESD)指標一般要大於8kV，讓客戶在必要時可去掉電容值較大的外接保護ESD二極體。圖2所示為GPS手機採用的設計，但此處的開關FSSD06用作分路器，以讀寫GPS模組(SDIO元件)和SD卡之間的資料。

圖2　GPS手機設計中的SD卡I/O擴展開關

在大多數應用中，由於高壓卡(2.7～3.6V)或雙壓卡(1.65～1.95V)類型的限制，須要在內核處理器I/O和外設元件間進行電平轉換，包括資料匯流排的雙向電平轉換和時脈通道的單向電平轉換功能等。

高速USB2.0開關適用MP3手機

為回應終端產品市場的需求，MP3播放功能已被廣泛納入大多數手機中，且具有高速USB 2.0的資料上載和下載能力。同時，在各國政府對USB充電器標準推動下，通過V_BUS的充電器已逐漸獲得採用。因此，充電器檢測成為設計人員所要求的必備功能。

可靠的充電器檢測對不同應用情況，如在資料模式和非資料模式下，以及存在諸如接地彈跳(Ground Bounce)和電磁干擾(EMI)雜訊之類的系統干擾時，D+/D-接腳間的短路連接檢測非常關鍵。

圖3所示為整合充電器檢測功能的高速USB 2.0開關。MP3特定應用積體電路(ASIC)及其內置的高速USB 2.0功能，可與電腦主機高效能通訊，實現MP3音樂的快速下載或上載。在設計中，需要一個高速USB開關來隔離具大輸出電容基頻處理器的全速USB輸出埠，而所使用的開關必須置於靠近USB控制器的輸出，以減小訊號反射。

圖3　MP3手機設計中具有充電器檢測功能的高速USB開關

在這類應用中，只要V_BUS連接充電器或資料傳輸線，開關就須閉合以便檢測。USB控制器通過內置的1.5k歐姆上拉電阻，從而將D+設置為高電平並發起與主機的對話。在接入標準充電器的情況下，D+和D-屬於短路狀態，內部檢測電路將對基頻通用輸入輸出介面(GPIO)輸入端發出一個旗標(Flag)訊號。在這種應用中，開關通道的導通電容必須足夠小，以便USB 2.0訊號傳輸符合USB 2.0要求。資料埠須要具有很高的ESD指標，如I/O對地承壓大於8kV，如此一來用戶就能去掉保護ESD的外接二極體，這種二極體的寄生電容大，並降低資料脈衝邊緣速率，而這個速率對眼圖符合性測試中的眼圖開啟度(Eye Opening)指標非常關鍵。

雙相機手機中的低寄生電容高速開關

在各國3G基礎設施建設的推動下，3G已逐漸在一些主要城市部署，以支援高速多媒體音訊/視訊的上載和下載。如目前已有超過兩百個3G網路的布建就是一例。而對終端客戶來說，能獲得的直接好處之一是，除用於個人照片的高解析度相機外，還可用專門的相機來實現資料速率更快的視訊會議。

舉例來說，從解析度較高的相機輸出來分析，畫素時脈訊號和資料為高頻率的TTL訊號，如果與解析度較低的相機模組共用資料匯流排，就可能產生訊號反射，導致資料位元錯誤。而且，當解析度較低的相機模組位於滑蓋或轉蓋式手機的蓋上時，由於兩者更加接近，因此造成的錯誤更為嚴重。

當處於高分辨相機模式時，懸掛在基頻處理器輸入處的長跡線會引起訊號反射，這是因為TTL線路沒有端接(Un-terminated)。解決這個難題的方案是在高解析度模式下切斷用於低解析度相機電容高的長跡線，但這就要求低解析度相機資料通道上有一個關斷電容極小的開關，以支援十二通道資料，包括圖像資料、時脈訊號和控制訊號等。

圖4所示為針對這種應用的解決方案，其開關的關斷寄生電容為2pf。這種開關必須置於靠近低分辨相機資料登錄的基頻輸入端，才能有效去掉長跡線的寄生電容。此外，高解析度相機模組到基頻處理器間的跡線必須盡可能短，以減小高速像素時脈訊號和圖像資料的失真。當然，對於各種可攜式應用，最好採用低功耗開關元件，這類開關產品具有吸引力的關鍵指標是功耗低至1uA。