大多数人在提到车载多媒体电子设备时,首先映入脑海的是汽车立体声设备。而在新型汽车的内部,传统的立体声设备早已被复杂的具有DVD视频、导航、电视、视频游戏机功能的“信息娱乐系统”所替代,整个车体内部有多个显示器(图1)。由此可见,汽车多媒体系统已经成为半导体器件增长最快的市场之一,曾经用在高端汽车的多媒体系统已被沿用到低端汽车内。值得注意的是,为了满足消费者对视频质量的需求,这些信息系统需要一个可靠的、高吞吐量传输媒介。
为汽车电子选择元器件时,系统工程师常常面临几个难题,而且必须在完成最终设计之前解决这些问题。现代车载系统存在大量的电磁辐射源,这就要求一个抗干扰能力强,并且噪声极低的接口。另外,因为整个车体的地电位偏差较大,这些偏差会在直流耦合系统中破坏数据的传输,所以要求数据传输系统必须采用交流耦合。除此之外,汽车元器件还需要在输入、输出引脚提供较高的ESD保护。作为一个接口电路,必须在满足上述条件下才有可能考虑用于汽车电子设计。
低压差分传输技术
汽车多媒体应用中极具吸引力的接口标准是标准的低压差分信号(ANSI/TIA/EIA-644-A),或LVDS。LVDS是在多种应用中经过验证的一种接口标准,能够满足所需的高速率要求,并具有较高的抗干扰能力和极低的EMI辐射,这种接口减少了系统连线、易于切换并简化了终端匹配。最基本的LVDS系统(图2)由电流模式驱动器构成,该驱动器具有3.5mA的电流源,驱动具有100Ω匹配终端的差分传输线时,能够在电阻两端产生350mV的电压摆幅。正是由于LVDS的差分结构,外部噪声被作为共模信号抑制掉,使其具备非常高的抗干扰能力；由于来自接口的磁场影响被抑制掉,所产生的噪声也非常低。这种接口固有的高信噪比特性允许信号幅度可低至100mV,从而实现极高的数据速率。
图1:车载多媒体系统需要可靠的高吞吐量传输媒介,以满足消费者的需求
图2:有发送器和接收器构成的LVDS传输架构
布板/电缆选择
设计LVDS接口时,与其它差分传输媒介一样,需要遵循严格的布线规则,建议使用至少4层PCB:电源、地、LVDS信号、CMOS/TTL信号分别采用独立的电路板层。将地层和电源层置于两个独立的信号层之间,可以使LVDS与CMOS/TTL信号之间的串扰最小。采用阻抗匹配、相互平行、等距离的PCB传输线。为降低EMI,还要尽可能减小电流环路,采用短且宽的地线和彼此靠近的差分信号线。驱动器与接收器尽可能地靠近连接器,并提供一个接地覆铜层,以获得阻抗受控的内部互连传输线。
互连电缆应该包含一条地返回线,为共模电流提供最短的返回通路,使地电位偏差最小。另外,还建议将电缆的一端通过电容或RC网络接地。最后,设计人员还要确保负载电容是受控的并为最小值,因为任何情况下增大电容都会造成阻抗衰减,从而降低系统的噪声裕量。
LVDS应用
现代汽车电子系统已经利用基于LVDS的接口对高速视频数据进行串行转换或解串转换,这种方式能够方便地将数据传送到汽车的各个位置。典型的LVDS接口将21对并行数据转换成4对串行的LVDS差分信号,其中3对差分传输线分别用于承载7位并行数据,第4对差分线用来承载参考时钟。MAX9247和MAX9248串行器/解串器(SERDES)芯片组在前期产品的基础上进行了改进,将27对并行数据线转换成1个串行差分线对,利用内部42MHz时钟可以实现840Mbps的传输速率。该芯片组能够为导航及娱乐终端设备的显示器提供1,280×480的分辨率。这种简约的连接方式只需一对差分传输线,不用考虑通道之间的偏差,与多路LVDS方案相比大降低了系统成本。嵌入式时钟确保连续的时钟和数据恢复。
图3:利用串行器/解串器将27位数据串行转换成一对差分串行传输,支持1,280×480的显示器分辨率
EMI辐射与扩展频谱技术
为了进一步提高系统的抗干扰能力,MAX9247/MAX9248 LVDS芯片组还采用了一些附加技术来改善其电磁兼容性,例如:显示并行数据时,可以由时钟频率统一控制所有开关操作的时间,频率调节范围为2.5MHz~42MHz；通过特殊的数据编码和串行输出端的共模滤波器还可进一步降低EMI。上述方案降低了数据流本身引起的开关噪声。如果将扩展频谱技术引入并行输出,还能够进一步抑制EMI。
对于当前的车载多媒体、音频、视频、无线系统,采用扩展频谱技术非常必要。这些系统要求设计人员花费更多的精力解决子系统比较敏感的RF干扰问题。传统的无线通信装置通过控制频率消除电源开关噪声的影响,将电源的开关频率设置在调谐器输入频段以外。但是,现代汽车电子系统所面临的干扰源越来越多,这一方案很难保证所有的子系统协同工作,因此,扩展频谱(SS)成为一种极具优势的解决EMI问题的方案。
SS技术的优势不仅限于满足FCC标准和EMI兼容性,由于它将峰值能量分配到整个噪声基底,从而降低了对外部滤波和屏蔽电路的要求,有效降低了系统成本。MAX9248解串器为时钟和数据提供频谱扩展能力,对位于LVDS输入时钟频率±4%或±2%的频谱扩展范围内的数据和时钟可编程(图4)。
图4:利用扩展频谱技术降低峰值能量,使能量分布于噪声基底,降低对外部滤波、屏蔽的要求
SS技术是传统的EMI抑制技术的补充手段,并非用来替代传统的解决方案,尤其适合汽车多媒体产品的设计。
良好的PCB布局是抑制数字电路、模拟电路中EMI的基础,扩展时钟和数据信号的频谱则有助于减少系统的滤波和屏蔽元件,降低系统的总体成本,并使系统比较容易通过EMI测试。
驱动、ESD和故障保护能力
为了提高差分线驱动能力,许多芯片制造商在串行器的输出端增加了预加重功能,提高了LVDS驱动器在数据传输期间的电流,增大接收端的信号幅度。预加重能够快速建立瞬态信号、获得更好的眼图质量(图5)并改善了信号的完整性。
图5:利用预加重技术能够获得更好的眼图,改善信号完整性,延长传输距离
用于汽车电子设计的器件必须具有较高的ESD保护能力,特别是在输入、输出引脚。这样,绝大多数LVDS器件厂商在芯片的相应引脚都增加了ESD保护电路,满足IEC61000-4-2(±15kV气隙放电、±8kV接触放电)或ISO10605(±25kV气隙放电、±8kV接触放电)标准的要求。
许多LVDS SERDES芯片组,例如MAX9247/MAX9248,还具有直流平衡编码电路,允许采用交流耦合传输系统,在故障条件下提供系统保护。当数据流通过交流耦合电容时会给电容充电,从而在数据流中产生误码,利用直流平衡电路即可避免这一问题。在直流平衡编码电路中,串行器(驱动器)连续监视所通过的数据流,当检测到一长串“1”或“0”时,在发送数据之前将其反相。串行器不断地通报解串器(接收器)数据是否应该反相。由于消除了长串“1”或“0”,降低了对耦合电容的充电。另外,交流耦合能够阻止低频地电位偏差和共模噪声,允许施加高达电容额定电压的共模电平。虽然两个交流耦合电容已具有足够的隔离度,但是,仍然建议使用四个电容进行隔离:其中两个电容用于串行器的输出,另外两个电容用于解串器的输入,以便在任何一端发生短路时能够为汽车电池提供保护。
另外,高性能的LVDS应用要求相应的连接器、电缆等支持部件,Rosenberger、Leoni、JAE、Yazaki、Nissei、Hirose等公司提供汽车级电缆和连接器,带返回地线的屏蔽双绞线能够保证出色的信号质量,产生更低的EMI。线内连接器大大简化了安装过程。
本文小结
由于汽车厂商不断地在汽车内部引入先进的多媒体设备,需要采用基于LVDS的接口在嘈杂的汽车环境下处理高吞吐率的数据传输。MAX9247和MAX9248 SERDES利用一对双绞线传输数据,大大简化了设计,为现代高分辨率汽车显示器提供了一个极具成效的解决方案。为更高数据密度的信息娱乐终端开发奠定了基础。
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