能夠進行電能回收再利用的CoolHD技術(shù)

現(xiàn)在市場中大多數(shù)便攜設(shè)備還不能處理和播放高清內(nèi)容至大屏幕上。但超級智能手機、帶最新應(yīng)用處理器的Tablet和各種高清多媒體應(yīng)用等新型手持設(shè)備的推出，卻帶動了新的多媒體消費類產(chǎn)品模式。如今的終端用戶已經(jīng)習慣在大屏幕上觀看高清內(nèi)容，故在便攜式設(shè)備中集成高清處理功能，使消費者能夠享受在大屏幕上觀賞高清內(nèi)容成為“必備”而不是“可有可無”的一項功能。但實現(xiàn)這一功能需要三個必要條件：支持高清的便攜設(shè)備、播放高清內(nèi)容的應(yīng)用程序，以及將便攜設(shè)備與大屏幕相連的選項。而在便攜設(shè)備中添加諸多新功能的過程復(fù)雜而且昂貴，就算在復(fù)雜的技術(shù)方面實現(xiàn)突破，新功能對手持設(shè)備的電能消耗會也成為很大問題。通常便攜設(shè)備的重量和其他因素會限制電池的體積，而更佳的觀看效果只能在犧牲電池續(xù)航時間的情況下實現(xiàn)。

什么是CoolHD技術(shù)？

隨著新型消費類電子設(shè)備的不斷增多，我們對能源的需求也在日益增加。很多國家開始對設(shè)備能源消耗做出規(guī)定，而能源的回收和利用也成為一個現(xiàn)實而獨特的解決方案。硅谷數(shù)模半導(dǎo)體是CoolHD技術(shù)的研發(fā)者和推廣者。該技術(shù)能夠回收被浪費的電能，使其被重新利用來為芯片供電。這意味著CoolHD技術(shù)在將高清多媒體內(nèi)容顯示到數(shù)字電視時，不需要從便攜設(shè)備電池中攝取電能，即實現(xiàn)了零功耗。在這一過程中，這一獨特技術(shù)能夠延長便攜設(shè)備電池壽命，增長設(shè)備續(xù)航時間，減少充電次數(shù)，因此提高設(shè)備了使用效率，為終端用戶帶來更長時間和更好的使用效果。

從基本的連接原理談起想要完全了解CoolHD技術(shù)與其優(yōu)勢，我們需要先明白兩個音視頻設(shè)備之間的基本電子連接原理。除了無線設(shè)備，任何兩個音視頻設(shè)備之間的連接需要通過線纜來傳輸多媒體數(shù)據(jù)，這個線纜連接被稱為“DC Couple”(直流耦合)或“AC Couple”(交流耦合)。對多媒體連接來說，音視頻設(shè)備負責輸出數(shù)據(jù)的是“源端”或“發(fā)送端”，而接收數(shù)據(jù)設(shè)備則是“終端”或“接收端”。

圖1 – 源端與終端之間的直流耦合連接

在直流耦合連接中(見圖1)，源端與終端音視頻設(shè)備的線纜連接中沒有無源元件阻擋DC電流。圖中的晶體管直流耦合連接未顯示半導(dǎo)體設(shè)備兩端其他的驅(qū)動晶體管。接收端的終端電阻提供兩端所需的上拉電壓。源端設(shè)備在連接中與終端設(shè)備溝通需要其自己的電源。同樣，終端設(shè)備接收源端設(shè)備出來的數(shù)據(jù)也需要其自己的電源。這樣，電流在線纜中直接流通使得兩個音視頻設(shè)備傳輸所需數(shù)據(jù)。最重要的是在直流耦合連接兩端的晶體管需要能夠承受并轉(zhuǎn)換到同樣的電壓。

圖2 – 源端與終端之間的交流耦合連接

在交流耦合連接中(如圖2)，兩個音視頻設(shè)備之間使用的是電容耦合。電容器阻擋直流電流通過兩個設(shè)備，只允許交流電流通過。這樣，設(shè)備一端的變動率傳到另外一端，同時阻礙電流直接通過。不像直流耦合連接，交流耦合連接兩端的晶體管不需要有同樣的電壓。

因此，交流耦合能夠使集成電路設(shè)備在不同電壓下工作，有助推進集成電路設(shè)備向深亞微型技術(shù)發(fā)展的趨勢。另外，深亞微米技術(shù)中為減少功耗而降低了集成電路設(shè)備電壓。電子設(shè)備業(yè)內(nèi)為能夠提高功能的兼容性和集成度同時降低成本，通常會研發(fā)SoC。所以，深亞微型技術(shù)在提高集成度的同時也降低功耗。與此同時，集成電路設(shè)備是不同的工藝生產(chǎn)的，因此，互相之間會有電壓差異。交流耦合連接能夠驅(qū)動數(shù)據(jù)在不同電壓的兩個集成電路設(shè)備中傳輸。兩端可以互相溝通其電壓變動率定義。但不管是直流耦合還是交流耦合，音視頻設(shè)備在互相溝通傳輸數(shù)據(jù)的過程中，終端和源端都在不停的消耗電能。

高清互聯(lián)互通的需求日益增大HDMI主要是為能夠直接插到墻上電源上取電的消費類電子設(shè)備而設(shè)計的。雖然芯片制造商們一直想提高SoC的功能集成度，而降低功耗對他們來說并不重要。在過去幾年里便攜式多媒體設(shè)備和超智能手機陸續(xù)問世，它們的處理能力接近普通計算機，但它們的小體積和小屏幕成為提供更好用戶體驗的路障。自高清電視的推出，消費者已經(jīng)非常適應(yīng)在大屏幕上欣賞高清內(nèi)容。便攜式產(chǎn)品集成高清內(nèi)容處理能力帶動了將這些小型設(shè)備與大型高清顯示器連接的需求。

硅谷數(shù)模(Analogix)有著雄厚的數(shù)?；旌闲盘栐O(shè)計和HDMI標準技術(shù)的積累，研發(fā)了獨特的電能回收利用執(zhí)行構(gòu)架。HDMI技術(shù)在兩音視頻設(shè)備的直流耦合連接這一原理上運行。也就是說，源端或發(fā)送器負責輸出高清內(nèi)容至終端或接收器。硅谷數(shù)模成功研發(fā)了一種創(chuàng)新的直流耦合連接執(zhí)行方式，該技術(shù)能夠回收源端中浪費掉的電能，然后重新加以利用，使得源端無需外接電源。這一技術(shù)被稱為CoolHD技術(shù)。

CoolHD技術(shù)實現(xiàn)電能的回收和利用往往復(fù)雜的技術(shù)實施方式可以用很簡單的語言來描述，而在下一代集成電路計設(shè)計模式中，這些簡單的描述方式可幫助我們改變其設(shè)計規(guī)范。為了不過于復(fù)雜化本文，我們無需完全了解HDMI技術(shù)，只需要探討一個系統(tǒng)中兩集成電路設(shè)備通過一條線纜連接的直流耦合連接。

圖3 – CoolHD技術(shù)實施構(gòu)架框圖

在圖3中，CoolHD發(fā)送器通過線纜與標準接收器以直流耦合方式連接。圖中紅線區(qū)域中顯示源驅(qū)動器到地連接中加入了CoolHD電路。這些CoolHD電路負責在發(fā)送器中回收和重新利用電能。啟動電路使用非常小的電流來產(chǎn)生偏壓(見圖3中的G1與G2)。低壓降電壓調(diào)節(jié)器負責提供不同電壓至源端或終端IC設(shè)備。因此只要線纜連接著接收器，這種電能的回收和重新利用就會繼續(xù)。

這一技術(shù)的創(chuàng)新之處在于源端無需上游供電來工作，源端設(shè)備與終端相連接就可以為自己供電。只要源端從上游得到內(nèi)容就會傳輸給其下游的終端，這樣源端與終端之間的數(shù)據(jù)傳輸就總在繼續(xù)。當終端斷電時，也就是終端不需要從上游得到有效載荷，源端將還原到初始狀態(tài)。

CoolHD技術(shù)能為便攜設(shè)備帶來什么？

將CoolHD的技術(shù)優(yōu)勢正確完全的描述很重要。在硅谷數(shù)模的實驗室中，工程師們測量了一款市場中熱賣的一流高清便攜設(shè)備的功耗。這一款便攜設(shè)備中集成了應(yīng)用處理器，能夠處理并輸出從VGA到Full-HD(1,080p)的分辨率。我們在測試中將一個同樣的應(yīng)用處理器中集成了普通HDMI發(fā)送器，并在另外一個相同的應(yīng)用處理器中集成了硅谷數(shù)模的CoolHD HDMI發(fā)送器。工程師們同時測試著兩個實驗設(shè)備來充分理解CoolHD技術(shù)的優(yōu)勢。

一個屏幕的顯示功能被定義為一定的豎直列和水平行數(shù)量在一定的刷新率刷新。例如，發(fā)送器在60Hz發(fā)送VGA分辨率。VGA要求有640個直行和480個水平行。為達到60Hz的刷新率，每畫面每秒要刷新60次。640個豎直列和480個水平行縱橫在一起就成為640 x 480的矩陣，矩陣上每個組成元素就是一個屏幕上的像素。每個像素最基本的色深是紅、綠和藍色。每個像素的基本色彩被一系列的數(shù)字比特驅(qū)動，呈現(xiàn)為屏幕上所顯現(xiàn)的像素顏色。像素時鐘負責控制晶體管電路組的開和關(guān)，從而控制像素在屏幕上的顯示。因此更高的分辨率意味著更高的像素。也就是說為達到更高的分辨率有更多的像素要被像素時鐘控制。

圖4 – 手持設(shè)備應(yīng)用處理器中普通HDMI和CoolHD? HDMI源端功耗對比

圖4中顯示了不同分辨率的像素時鐘頻率，從VGA到Full-HD。工程師們測試了應(yīng)用處理器本身的功耗，應(yīng)用處理器集成普通HDMI發(fā)送器后的功耗，和應(yīng)用處理器集成CoolHD HDMI發(fā)送器后的功耗。應(yīng)用處理器自身功耗是在輸出最低分辨率(如VGA)時記錄的，在測試中成為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。其他功耗數(shù)據(jù)除以基礎(chǔ)數(shù)據(jù)得到了最終圖中使用的“功耗指數(shù)”。

從圖4中可見功耗與視頻像素時鐘頻率有直接關(guān)系。當顯示的分辨率增加，像素也自然需要增加來支持，同樣，在不斷顯示畫面時，像素時鐘頻率必須增加來處理一個時間段中更高的像素。這樣提高分辨率自然就增加了應(yīng)用處理器的功耗。高清多媒體內(nèi)容需要通過HDMI連接來傳輸，而普通HDMI發(fā)送器會增加應(yīng)用處理器的功耗。一般情況下，HDMI像素時鐘頻率是原始視頻像素時鐘頻率的10倍。我們的測試顯示應(yīng)用處理器集成了HDMI后的功耗，是應(yīng)用處理器單獨工作功耗的1.45倍。但集成了硅谷數(shù)模CoolHD HDMI發(fā)送器的應(yīng)用處理器的功耗與應(yīng)用處理器單獨工作功耗一致，并未添加更多的功耗。因此清楚可見CoolHD HDMI發(fā)送器在輸出高清數(shù)據(jù)時沒有使用外接電源。