Il punto di svolta della potenza negli schemi dei bus per LCD e fotocamere

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Il ricorso a schemi di serializzazione può far ritenere che i consumi di corrente siano più elevati a causa dei dispositivi in più. Il presente documento illustra la possibilità di ottenere miglioramenti nella potenza di connessione necessaria in uno schema serializzato nei casi in cui il drive baseband può essere ridotto in linea con le minori esigenze di input del serializzatore. La conoscenza di questo “punto di svolta” della potenza in uno schema del bus per un LCD o una fotocamera permetterà ai progettisti di realizzare design dai consumi di corrente contenuti.

Le tendenze nella serializzazione

Poiché i moderni cellulari sono sempre più caratterizzati da funzionalità crescenti e design complessi, viene fatto ampio ricorso a tecniche di serializzazione allo scopo di rispettare gli obiettivi progettuali stabiliti. Le tecniche di serializzazione permettono di ridurre i costi grazie a circuiti FPCB più ravvicinati, minori ingombri degli stessi ed eliminazione dei componenti superflui per il controllo delle emissioni EMI, oltre che di accrescere l’affidabilità grazie all’uso di connettori più piccoli. La serializzazione permette anche ai progettisti di soddisfare l’esigenza di design caratterizzati da cerniere del flip sempre più piccole e complesse, riducendo il numero dei segnali inviati attraverso il circuito FPCB. Persino alla luce di questi benefici può sussistere tuttavia la percezione che l’aggiunta degli ulteriori componenti necessari per implementare uno schema serializzato richieda al sistema una superiore potenza. Considerati i rigidi limiti di potenza cui devono sottostare i progettisti di cellulari, il presente documento esamina i risparmi di corrente ottenibili attraverso l’uso di tecniche di serializzazione.

L’implementazione in parallelo

Una tipica implementazione in parallelo è illustrata in Figura 1.

Figura 1: Implementazione in parallelo

Con quest’architettura, i driver del BP (Baseband Processor) devono gestire un carico comprendente le tracce del circuito PCB principale, del circuito FPCB e dei connettori FPCB, unitamente alle tracce del circuito PCB del flip con il carico dei display. I driver del BP devono essere in grado di gestire tali carichi in maniera diretta tramite segnali tipo LVCMOS.

I display che utilizzano un’interfaccia tipo RGB possono richiedere fino a 24 bit di dati a 8MHz di frequenza nel caso di risoluzione WQVGA, o valori anche superiori a seconda della risoluzione del display. Con l’aumentare di quest’ultima cresce parallelamente la frequenza del segnale per le interfacce del display.

L’implementazione in serie

In un’implementazione in serie, una coppia di componenti viene inserita nel data path del circuito PCB principale e nel circuito PCB del flip. Il serializzatore, collocato in prossimità del Baseband Processor all’interno del circuito PCB principale, converte i dati provenienti in parallelo dal display in un flusso dati seriale che viene inviato al de-serializzatore attraverso il circuito FPCB. In relazione all’architettura di serializzazione, il numero di segnali seriali può essere ridotto fino a un’unica coppia di segnali differenziali. Il de-serializzatore riconverte il flusso dati seriale in un flusso dati parallelo, il quale viene inviato all’interfaccia del display, come illustrato in Figura 2.

Figura 2: Implementazione in serie

Esistono due differenze principali tra l’implementazione in parallelo e l’implementazione in serie, differenze che nel caso di quest’ultima tipologia consentono di risparmiare sulla potenza di connessione richiesta. Una prima differenza si trova nell’interfaccia tra Baseband Processor e serializzatore. L’uso di un serializzatore nel circuito PCB principale permette di ridurre significativamente i requisiti relativi al drive di output del Baseband Processor, in quanto il carico degli input nel serializzatore è notevolmente inferiore rispetto al path del display nell’implementazione in parallelo. L’uso di un’interfaccia per il serializzatore permette anche di ridurre la tensione di uscita del Baseband Processor, consentendo ai componenti di serializzazione di gestire la diversa tensione richiesta dal driver del display. Per esempio, nel caso di un display che necessiti di 2,7V, il Baseband Processor può ridurre la tensione del serializzatore a 1,8V. Il de-serializzatore provvederà poi a generare i segnali a 2,7V richiesti dal display.

La maggior parte degli schemi di serializzazione utilizza inoltre protocolli di segnalazione differenziali, come LVDS (Low Voltage Differential Signaling), che riducono drasticamente l’oscillazione del segnale necessario per inviare i dati attraverso il circuito FPCB abbassando nel contempo l’impronta elettromagnetica EMI del link. La riduzione dell’oscillazione del segnale e l’eliminazione della doppia schermatura del circuito FPCB, resa possibile dalla riduzione delle emissioni EMI nel flusso seriale, rendono effettivi i risparmi di corrente dell’implementazione seriale.

Il “punto di svolta della potenza”

Il “punto di svolta della potenza” è il punto in cui, per una data applicazione, il ricorso a schemi di serializzazione inizia a consumare minore corrente rispetto alla soluzione in parallelo. Nel nostro esempio, il “punto di svolta della potenza” può essere calcolato approssimativamente confrontando la dissipazione di potenza nel link del display nei data path seriale e parallelo di un cellulare e utilizzando valori stimati dei parametri di sistema. La dissipazione di potenza dinamica può essere calcolata tramite la seguente equazione:

In questa equazione:

C – è la capacitanza di carico effettiva del link gestito.
V – è l’ampiezza di tensione dei segnali del display.
FCLK – è la frequenza del path del display.
AFACTOR – è il fattore di attività effettivo dei segnali del display (valore medio della transizione dei livelli per i bit di dati).
NBITS – è il numero di bit di dati nel path del display.

Figura 3: Calcolo della potenza dinamica

La maggior parte dei parametri succitati è stata già discussa nel presente documento, eccettuati C e AFACTOR. C è un parametro dipendente dal sistema, che nel caso di un’implementazione in parallelo si può assumere avente valore di 80pF per rappresentare approssimativamente un’applicazione tipica comprendente tracce PCB, connettori flex, FPCB, componenti ESD/EMI e carico di input per il driver del display. AFACTOR è un parametro che dipendente dai dati e può variare considerevolmente in relazione all’applicazione. Nel nostro caso, possiamo assumere un valore del 50%.

Con questi parametri e l’equazione illustrata in Figura 3, l’implementazione in parallelo comporta una dissipazione di potenza di 29mW ai valori di seguito indicati:

C = 80pf
V = 2,7V
FCLK = 8MHz
AFACTOR = 50%
NBITS = 24

Nel caso dell’implementazione in serie, il calcolo è abbastanza diverso. L’approccio seguito è quello di calcolare sia la dissipazione di potenza richiesta dal Baseband Processor per gestire il serializzatore, sia la dissipazione di potenza da parte del serializzatore che gestisce il driver del display.

Iniziando il calcolo dal path tra Baseband Processor e serializzatore, la dissipazione di potenza risulta essere pari a 0,5mW sulla base dei parametri seguenti:

C=3pf
V=1,8V
FCLK=8MHz
AFACTOR=50%
NBITS=24

Come si può osservare, è possibile ottenere un risparmio di potenza significativo abbassando la tensione e controllando la corrente di IO del Baseband Processor grazie al carico ridotto delle uscite di quest’ultimo.

Utilizzando lo stesso metodo di calcolo, la dissipazione di potenza all’interno del path dal de-serializzatore al driver del display risulta essere di 14,5mW sulla base dei parametri seguenti :

C=40pf
V=2,7V
FCLK=8MHz
AFACTOR=50%
NBITS=24

Tutto ciò colloca il “punto di svolta della potenza” per l’esempio in oggetto a 14mW, valore risultante dalla differenza tra la potenza dello schema in parallelo e la potenza delle porzioni in parallelo dello schema in serie. Tale “punto di svolta della potenza” stabilisce il punto di pareggio nel consumo di corrente del link seriale. Nell’esempio utilizzato, gli schemi seriali attuali indicano valori di dissipazione della potenza di 20mW o inferiori. Ciò significa che il ricorso a tecniche di serializzazione comporta un aggravio di soli 6mW o meno. Gli schemi seriali si avvicinano ancor di più al “punto di svolta della potenza” tenendo conto anche degli ulteriori risparmi di corrente ottenibili attraverso l’eliminazione dei componenti passivi spesso richiesti dalle soluzioni in parallelo.

Attraverso un’implementazione corretta della serializzazione è possibile ottenere ulteriori riduzioni della dissipazione di potenza nel path del display, migliorando ulteriormente il “punto di svolta della potenza”. Tra le misure attuabili vi sono l’eliminazione di componenti EMI quali i Common Mode Choke, divenuti superflui, oppure l’eliminazione delle protezioni ESD per il path del display, in quanto nell’implementazione serializzata la coppia serializzatore/de-serializzatore assicura l’isolamento ESD di Baseband Processor e driver del display dalle correnti transienti del circuito FPCB.

Un’altra strada per ottenere ulteriori risparmi di potenza attraverso la serializzazione può essere quella di integrare il de-serializzatore nel driver del display, misura questa effettivamente adottata in alcune applicazioni. In questo modo viene ridotto significativamente il carico capacitivo recepito dal de-serializzatore, riducendo ulteriormente la potenza richiesta. Persino senza l’integrazione del de-serializzatore è possibile ottenere risparmi significativi attraverso il posizionamento più ravvicinato di de-serializzatore e driver del display, riducendo in questo modo lunghezza e carico delle tracce nel path.

Conclusioni

Le tecniche di serializzazione di stanno diffondendo sempre più nei design dei moderni cellulari. Spesso la serializzazione viene utilizzata principalmente per risparmiare spazio, ma viene vista come fonte di incremento del consumo di corrente nel sistema. Nel presente documento abbiamo sfatato questo mito e abbiamo illustrato in quale modo la serializzazione sia in grado di assicurare risparmi effettivi di corrente. Le attuali soluzioni serializzate stanno colmando rapidamente il gap esistente tra dissipazione di potenza seriale e “punto di svolta della potenza”. Ciò significa che, in aggiunta a tutti i vantaggi a livello progettuale, le soluzioni di serializzazione assicurano risparmi nella potenza di collegamento che riducono il consumo di corrente complessivo del sistema.

a cura di S Barden, E Maier – Fairchild Semiconductor
 

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