在低功率应用装置中的视频驱动器
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2008-07-11 00:00
前言:
便携式电子装置已经成为我们日常生活中不可或缺的一部份。现今的消费者都希望每个新世代的装置能够拥有额外的功能与特点,同时也需要有更长的使用时间。使用者也不希望这些装置老是被拴在墙上的插座旁,因此充电的时间要能够最小化。这样的需求对于电池以及半导体都带来了沉重的负担。一般而言,电池会具有固定的电压、电流电容、尺寸与重量,因此只有能够予以改善的空间相当有限。而另一方面,半导体设计工程师则是被赋予了无比庞大的任务,必须要在每一个后续世代中降低电源的消耗、增加新的功能与特点、以及提供更高的性能。
针对便携式装置的电源消耗有两大主要的考虑,那就是工作电流(operating current)以及待机电流(standby current)。两者都很重要;使工作电流最小化是延长电池整体使用时间的要点,而待命电流则是在处理附属功能时格外的重要。举例来说,要从个人多媒体播放器(PMP)驱动一组外接的TV屏幕,这会被视为是附属的功能,因为来自于PMP的视频往往是利用PMP上的屏幕观看,而非使用外接的屏幕。
在现今的便携式电子设备当中,视频的输出变得越来越普遍。依据PMP的不同,视频输出的范围可以从复合式到S -Video,甚至是组成视频(component video)。价格低廉的PMPs通常会具有标准定义之组成视频输出的特点,因此本文将会特别的针对一些组成视频驱动器应用装置加以讨论。
视频驱动器为PMP的视频数字模拟转换器(DAC)与外界提供了连结接口。在对于电源之消耗不是很敏感的应用装置上,视频DAC能够直接驱动一组视频输出线。然而在便携式应用装置中,采用外接式的低功率放大器(视频驱动器)来驱动视频输出线,让视频DAC以低功率模式运作会具有更高的效率。在这种设定状况下,要节省40%的电源消耗量(相对于以视频DAC直接驱动负载)是件很容易的事情。从实际的观点上来看,使用价格低廉的外接式驱动器来作为昂贵之视频DAC的缓冲是有其意义的,特别是当IC会有某些部分是暴露于外界时。
视频驱动器通常会被设定成为主动式滤波器,也可以称做重建滤波器(reconstruction filter)或是抗映像滤波器(anti-imaging filter)。这种低通滤波器可以作为独立或是整合式的解决方案;这两种方式都将会加以讨论。重建滤波器具有双重的目的:它可以阻断会被导入视频信号当中,进而成为数字化程序之一部分的较高频元素(高于耐奎斯特(Nyquist)频率);而且也能够提供增益,以便驱动连接至屏幕的外接75Ω缆线。典型的复合式视频信号具有大约4.5 MHz的频宽。为了要确保信号能够被忠实的再生,滤波器必须至少要具有6MHz的平滑响应。同时滤波器在27 MHz (在视频DAC中受到广泛使用的取样频率)下应该要具有良好的拒斥(rejection)。
采用个别独立之重建滤波器的好处,是让设计工程师可以选择低功率放大器来制作精巧的滤波器,以便符合其特定的需求。这种方法的缺点则是所需零件的空间与数量。正如同多数的设计方案一样,在这种情况下的电源耗损 相对于空间方面的权衡中是有必要加以考虑的。图1所示为一组采用ADA 4853 -1低功率高速视频放大器,具有6 dB增益之独立的3极、6 MHz Sallen-Key低通滤波器(LPF)的架构。此架构在运作模式下只会消耗1.3 mA的电流,待命模式下则只会消耗100μA,对于便携式应用装置而言是个相当理想的方案。如同前述,使用于附属功能之组件的待命电流应该要越低越好,如此才能使电源的耗损最小化。在这类型的应用装置中,放大器与其它的视频处理组件在没有需要的时候都会全部关闭掉。
想要在电源耗损与尺寸的选择上降低进退两难的状况,那就应该考虑采用整合式的解决方案。这些组件包含有增益区块、滤波器,在某些情况下则还会有电荷帮浦以及负载侦测器。便携式组件通常能够以单一电源供应(电池)运作,因此不会有负极的电源供应。在进行直流耦合应用装置之设计时,这点相当重要。视频信号的同步端(sync tip)会延伸至接地端以下大约300 mV。而为了要维持良好的视频完整性,同步端电压必须要维持一定。这在交流耦合系统中并不是件困难的事,因为dc位准稍后就能够予以回复。但是在直流耦合应用装置上,dc位准则必须要透过信号路径才能予以维持。
能够符合前述所有考虑的IC就是ADA 4431 -1超低功率视频滤波器。该组件将第三阶低通滤波器、增益为+ 2的放大器、电荷帮浦、以及负载侦测器全部整合在3 mm × 3 mm的LFCSP封装当中。在电荷帮浦启动的状态下,总供应电流为 4.7 mA,而电荷帮浦关闭时,供应电流会下降至 1.6 mA ,这足以与独立式的设计方案相匹敌。此芯片的优异之处乃在于其为”智能型零件“,不需要系统或是使用者的通知,它就会将其电源关闭。ADA 4431 -1还具有一组负载侦测器。此负载侦测器会感测输出端是否有负载出现。图2中所示为ADA 4431 -1的方块图。
假如侦测器在输出端发现短路或是无负载的话,该组件将会关闭,并且在其负载侦测输出(LDO)接脚上提供一组低逻辑位准。LDO接脚会发出信号来通知微控制器,将信号路径中的所有ICs全部关闭,以便达到最大的省电状态。当负载回返至输出端时,LDO接脚的位准就会升高,进而使得信号路径中的其它组件恢复成启动状态。图3所示为ADA 4431 -1视频驱动器 /重建滤波器的典型架构。
在设计便携式电子设备时,随时将权衡记在脑中是相当重要的。本文针对了尺寸、电源损耗(包括了运作与待机模式)、弹性、简易性、以及智慧性的权衡做了相关讨论。在针对任何特定之应用装置做出最佳决定时,对于既有选项的了解程度是极为重要的。