便攜設計中面向特定應用的高速開關

摘要： 由于當今的手機需要集成GPS、TV、MP3播放和視頻播放等功能，面向特定應用的高速開關使用得越來越多，用于實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)總線共享或速度高達480Mbps的USB2.0信號分路。與此同時，這類開關中集成的各種數(shù)字和模擬功能對于希望增加其產(chǎn)品價值的設計人員別具吸引力。本文舉例討論了一些具有TV、GPS或雙相機（甚至帶有USB充電器探測功能） 的手機所采用的高速模擬開關應用。

關鍵詞： 高速開關；信號分路；CMMB；MP3；雙相機手機

TV手機中的四路高速開關

　　隨著CMMB （中國移動多媒體廣播） 標準在中國移動電視行業(yè)快速推行，TV手機也在市場上開始流行。據(jù)悉，由于看好CMMB在中國市場的前景，目前進入CMMB芯片市場的廠商已超過六家，一些廠商將CMMB的信道解調(diào)與后端的信源解碼集成，令CMMB電視實施的成本大幅下降，并且，讓沒有高端處理器的手機也能上CMMB功能。圖1是典型的TV手機設計，其中TV模塊和基帶共享SD存儲卡的讀和寫。為了實現(xiàn)高效切換，需要使用一個大帶寬開關來進行有效的電容隔離。這樣，數(shù)據(jù)總線的開路漏極就要求隔離上拉電阻，從而提供高效的無錯誤通信。在設計中，每個SDIO接口都有一個專門的高速時鐘信號通道，使設計人員能針對不同的主機、基帶處理器或TV模塊靈活地使用不同的時鐘源。

圖1  TV手機中采用的高速四路開關

　　在30pf寄生電容負載下，數(shù)據(jù)和時鐘通道的模擬開關必須至少具有150MHz （-3db） 的帶寬。這樣才能讓高速時鐘信號有效通過，且衰減最小。開關數(shù)據(jù)端口的I/O接地ESD（靜電放電）指標一般要大于8KV，讓客戶在必要時可靈活地去掉外接大電容性ESD二極管。圖2所示為GPS手機采用的類似SDIO設計，但此處的開關 （FSSD06） 用作分路器，以讀寫GPS模塊 （SDIO器件） 和SD卡之間的數(shù)據(jù)。在大多數(shù)應用中，由于高壓卡 （2.7 到3.6V） 或雙壓卡 （1.65到 1.95V） 卡類型的限制，需要在內(nèi)核處理器I/O和外設器件間進行電平轉換，包括數(shù)據(jù)總線的雙向電平轉換和時鐘通道的單向電平轉換功能。

圖2  GPS手機設計中的SD卡I/O擴展開關

MP3手機設計中的高速USB2.0開關

　　作為對最終產(chǎn)品市場需求的響應，MP3播放功能已被廣泛納入于大多數(shù)手機中，具有高速USB2.0 （480 Mbps） 的數(shù)據(jù)上載和下載能力。同時，在政府的USB充電器標準推動下，通過VBUS的充電器已逐漸獲中國采用。因此，充電器檢測成為設計人員所要求的一個“必備”功能?？煽康某潆娖鳈z測對不同應用情況下 （如在數(shù)據(jù)模式和非數(shù)據(jù)模式下，以及存在諸如地彈 （ground bounce） 和EMI噪聲之類的系統(tǒng)干擾時） D+/D- 引腳間的“短路”連接檢測非常關鍵。圖3所示為這類集成充電器檢測功能的高速USB 2.0開關。MP3 ASIC及其內(nèi)置的高速USB 2.0功能，可與計算機主機高效通信，實現(xiàn)MP3音樂的快速下載或上載。在設計中，需要用一個高速USB開關來隔離具有大輸出電容的基帶處理器的全速USB輸出端口。所使用的開關必須靠近USB控制器輸出，以最大限度地減小信號反射。

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VBUS接了充電器或數(shù)據(jù)傳輸線，開關就需要閉合以便檢測。USB控制器通過上拉內(nèi)置的1.5Ω電阻從而將D+設置為高電平并發(fā)起與主機方的對話。如果D+ 和D- 在接入標準充電器的情況下短路，內(nèi)部檢測電路將對此作出響應，向基帶GPIO輸入發(fā)出一個FLAG信號。在這種應用中，開關通道的導通電容必須足夠小，以使USB 2.0信號傳輸符合USB 2.0的要求。數(shù)據(jù)端口需要具有很高的ESD指標 （I/O對地承壓大于8KV），這樣用戶就能靈活地去掉防止ESD的外接二極管，這種二極管的寄生電容大，并降低數(shù)據(jù)脈沖邊沿速率，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

　　在中國3G基礎設施建設及奧運會的推動下，3G正逐漸在一些主要城市部署，以支持高速多媒體音頻/視頻流的上載和下載。最終客戶能獲得的直接好處之一是，除用于個人照片的高分辨率相機外，還可用專門的相機來實現(xiàn)數(shù)據(jù)速率更快的視頻會議。這種雙相機模塊在基帶一側必須與不同的像素時鐘信號和數(shù)據(jù)流共享相同的數(shù)據(jù)輸入。對分辨率較高的相機輸出，像素時鐘信號和數(shù)據(jù)為高頻率的TTL信號，這種信號如果與分辨率較低的相機模塊共享數(shù)據(jù)總線，就可能產(chǎn)生信號反射，導致數(shù)據(jù)位錯誤。而且，當分辨率較低的相機模塊位于滑蓋或轉蓋式手機的蓋上時，這種錯誤更為嚴重。

　　當處于高分辨相機模式時，懸掛在基帶處理器輸入處的長跡線會引起反射，這是因為TTL線路沒有端接。解決這個難題的方案是在高分辨率模式下切斷用于低分辨率相機的長且電容高的跡線。這就要求低分辨率相機數(shù)據(jù)通道上有一個關斷電容極小的開關，以支持12通道數(shù)據(jù)，包括圖像數(shù)據(jù)、時鐘信號和控制信號。圖4所示為針對這種應用的完美解決方案，其開關的關斷寄生電容僅為2pf.這種開關必須足夠靠近低分辨率相機數(shù)據(jù)輸入的基帶輸入，才能有效去掉長跡線的寄生電容。此外，高分辨率相機模塊到基帶處理器間的跡線必須盡可能短，以便最大限度地減小高速像素時鐘信號和圖像數(shù)據(jù)的失真。當然，對于便攜應用，最好采用低功耗開關器件。與有源產(chǎn)品相比，這類開關產(chǎn)品一個具有吸引力的關鍵指標是功耗低至1mA.

圖4  雙相機手機設計中的低關斷電容開關

結語

　　隨著便攜多媒體應用的音/視頻市場快速發(fā)展，面向特定應用的高速信號開關產(chǎn)品將繼續(xù)在最終產(chǎn)品設計中提供重要的優(yōu)勢，提高信號的完整性，實現(xiàn)無錯誤的數(shù)據(jù)傳輸。與此同時，面向特定應用的一些集成功能，如電平轉換、充電器檢測或其它低ICCT特點，將有助于設計人員進一步降低材料清單（BOM）成本，而這是最受低成本、多功能手機之類的主流市場所歡迎的。