便携设计中面向特定应用的高速开关

摘要： 由于当今的手机需要集成GPS、TV、MP3播放和视频播放等功能，面向特定应用的高速开关使用得越来越多，用于实现高速数据总线共享或速度高达480Mbps的USB2.0信号分路。与此同时，这类开关中集成的各种数字和模拟功能对于希望增加其产品价值的设计人员别具吸引力。本文举例讨论了一些具有TV、GPS或双相机（甚至带有USB充电器探测功能） 的手机所采用的高速模拟开关应用。

关键词： 高速开关；信号分路；CMMB；MP3；双相机手机

TV手机中的四路高速开关

　　随着CMMB （中国移动多媒体广播） 标准在中国移动电视行业快速推行，TV手机也在市场上开始流行。据悉，由于看好CMMB在中国市场的前景，目前进入CMMB芯片市场的厂商已超过六家，一些厂商将CMMB的信道解调与后端的信源解码集成，令CMMB电视实施的成本大幅下降，并且，让没有高端处理器的手机也能上CMMB功能。图1是典型的TV手机设计，其中TV模块和基带共享SD存储卡的读和写。为了实现高效切换，需要使用一个大带宽开关来进行有效的电容隔离。这样，数据总线的开路漏极就要求隔离上拉电阻，从而提供高效的无错误通信。在设计中，每个SDIO接口都有一个专门的高速时钟信号通道，使设计人员能针对不同的主机、基带处理器或TV模块灵活地使用不同的时钟源。

图1  TV手机中采用的高速四路开关

　　在30pf寄生电容负载下，数据和时钟通道的模拟开关必须至少具有150MHz （-3db） 的带宽。这样才能让高速时钟信号有效通过，且衰减最小。开关数据端口的I/O接地ESD（静电放电）指标一般要大于8KV，让客户在必要时可灵活地去掉外接大电容性ESD二极管。图2所示为GPS手机采用的类似SDIO设计，但此处的开关 （FSSD06） 用作分路器，以读写GPS模块 （SDIO器件） 和SD卡之间的数据。在大多数应用中，由于高压卡 （2.7 到3.6V） 或双压卡 （1.65到 1.95V） 卡类型的限制，需要在内核处理器I/O和外设器件间进行电平转换，包括数据总线的双向电平转换和时钟通道的单向电平转换功能。

图2  GPS手机设计中的SD卡I/O扩展开关

MP3手机设计中的高速USB2.0开关

　　作为对最终产品市场需求的响应，MP3播放功能已被广泛纳入于大多数手机中，具有高速USB2.0 （480 Mbps） 的数据上载和下载能力。同时，在政府的USB充电器标准推动下，通过VBUS的充电器已逐渐获中国采用。因此，充电器检测成为设计人员所要求的一个“必备”功能。可靠的充电器检测对不同应用情况下 （如在数据模式和非数据模式下，以及存在诸如地弹 （ground bounce） 和EMI噪声之类的系统干扰时） D+/D- 引脚间的“短路”连接检测非常关键。图3所示为这类集成充电器检测功能的高速USB 2.0开关。MP3 ASIC及其内置的高速USB 2.0功能，可与计算机主机高效通信，实现MP3音乐的快速下载或上载。在设计中，需要用一个高速USB开关来隔离具有大输出电容的基带处理器的全速USB输出端口。所使用的开关必须靠近USB控制器输出，以最大限度地减小信号反射。

图3  MP3手机设计中具有充电器检测功能的高速USB开关

　　在这类应用中，只要VBUS接了充电器或数据传输线，开关就需要闭合以便检测。USB控制器通过上拉内置的1.5Ω电阻从而将D+设置为高电平并发起与主机方的对话。如果D+ 和D- 在接入标准充电器的情况下短路，内部检测电路将对此作出响应，向基带GPIO输入发出一个FLAG信号。在这种应用中，开关通道的导通电容必须足够小，以使USB 2.0信号传输符合USB 2.0的要求。数据端口需要具有很高的ESD指标 （I/O对地承压大于8KV），这样用户就能灵活地去掉防止ESD的外接二极管，这种二极管的寄生电容大，并降低数据脉冲边沿速率，而这个速率对眼图符合性测试中的眼图开启度 （eye opening） 指标非常关键。

双相机手机中的低寄生电容高速开关

　　在中国3G基础设施建设及奥运会的推动下，3G正逐渐在一些主要城市部署，以支持高速多媒体音频/视频流的上载和下载。最终客户能获得的直接好处之一是，除用于个人照片的高分辨率相机外，还可用专门的相机来实现数据速率更快的视频会议。这种双相机模块在基带一侧必须与不同的像素时钟信号和数据流共享相同的数据输入。对分辨率较高的相机输出，像素时钟信号和数据为高频率的TTL信号，这种信号如果与分辨率较低的相机模块共享数据总线，就可能产生信号反射，导致数据位错误。而且，当分辨率较低的相机模块位于滑盖或转盖式手机的盖上时，这种错误更为严重。

　　当处于高分辨相机模式时，悬挂在基带处理器输入处的长迹线会引起反射，这是因为TTL线路没有端接。解决这个难题的方案是在高分辨率模式下切断用于低分辨率相机的长且电容高的迹线。这就要求低分辨率相机数据通道上有一个关断电容极小的开关，以支持12通道数据，包括图像数据、时钟信号和控制信号。图4所示为针对这种应用的完美解决方案，其开关的关断寄生电容仅为2pf.这种开关必须足够靠近低分辨率相机数据输入的基带输入，才能有效去掉长迹线的寄生电容。此外，高分辨率相机模块到基带处理器间的迹线必须尽可能短，以便最大限度地减小高速像素时钟信号和图像数据的失真。当然，对于便携应用，最好采用低功耗开关器件。与有源产品相比，这类开关产品一个具有吸引力的关键指标是功耗低至1mA.

图4  双相机手机设计中的低关断电容开关

结语

　　随着便携多媒体应用的音/视频市场快速发展，面向特定应用的高速信号开关产品将继续在最终产品设计中提供重要的优势，提高信号的完整性，实现无错误的数据传输。与此同时，面向特定应用的一些集成功能，如电平转换、充电器检测或其它低ICCT特点，将有助于设计人员进一步降低材料清单（BOM）成本，而这是最受低成本、多功能手机之类的主流市场所欢迎的。