布谷鸟产研-汽车视频传输界面IC

* 来源: * 作者: admin * 发表时间: 2020-06-05 9:33:00 * 浏览: 40

视频传输界面IC内部接口主要是LVDS、eDP和VBO,外部接口主要是HDMI、MIPI DSI和LVDS。视频输入目前主要是MIPI,MIPI发展势头强劲,D-PHY之后的C-PHY将更高带宽,更少接线。A-PHY将主打远距离传输,最终目标是取代桥接芯片,本文由布谷鸟科技-产研首席分析师周彦武老师编写。

界面IC是混合IC,包含有模拟和数字。众所周知,模拟IC处理的信号都具有连续性,可以转换为正弦波研究,而数字IC处理的是非连续性信号,都是脉冲方波。模拟电路比较注重经验,设计门槛高,学习周期10-15年,数字电路则有EDA工具辅助,学习周期3-5年。模拟IC强调的是高信噪比、低失真、低耗电、高可靠性和稳定性。产品一旦达到设计目标就具备长久的生命力,生命周期长达10年以上的模拟IC产品也不在少数。如音频运算放大器NE5532,生命周期超过50年,现在还在用。数字IC多采用CMOS工艺,而模拟IC少采用CMOS工艺。因为模拟IC通常要输出高电压或者大电流来驱动其他元件,而CMOS工艺的驱动能力很差。此外,模拟IC最关键的是低失真和高信噪比,这两者都是在高电压下比较容易做到的。而CMOS工艺主要用在5V以下的低电压环境,并且持续朝低电压方向发展。对于数字电路来说是没有噪音和失真的,数字电路设计者完全不用考虑这些因素。此外由于工艺技术的限制,模拟电路设计时应尽量少用或不用电阻和电容,特别是高阻值电阻和大容量电容,只有这样才能提高集成度和降低成本。某些射频IC在电路板的布局也必须考虑在内,而这些是数字IC设计所不用考虑的。因此模拟IC的设计者必须熟悉几乎所有的电子元器件。

另一个门槛是CDR,即时钟数据恢复,对于高速的串行总线来说,一般情况下都是通过数据编码把时钟信息嵌入到传输的数据流里,然后在接收端通过时钟恢复把时钟信息提取出来,并用这个恢复出来的时钟对数据进行采样,因此时钟恢复电路对于高速串行信号的传输和接收至关重要。对于高速的串行总线来说,一般情况下都是通过数据编码把时钟信息嵌入到传输的数据流里,然后在接收端通过时钟恢复把时钟信息提取出来,并用这个恢复出来的时钟对数据进行采样,因此时钟恢复电路对于高速串行信号的传输和接收至关重要。CDR接口的主要设计挑战是抖动,即实际数据传送位置相对于所期望位置的偏移。总抖动(TJ)由确定性抖动和随机抖动组成。大多数抖动是确定的,其分量包括码间干扰、串扰、占空失真和周期抖动(例如来自开关电源的干扰)。而通常随机抖动是半导体发热问题的副产品,且很难预测。 传送参考时钟、传送PLL、串化器和高速输出缓冲器都对会传送抖动造成影响。一般来说对低频的抖动容忍度很高,PLL电路能够很好地跟踪,恢复出来的时钟和被测信号一起抖动。高频比较麻烦,要设置PLL电路过滤掉,如何设置,没有电脑辅助,全靠经验,没有10年左右的经验是做不好的。

这也使得界面IC的护城河非常宽阔,可以允许非常小的厂家存在,它可能只有一款产品,但生命力异常顽强。界面IC厂家的历史都非常悠远,最少都在10年以上,大部分超过20年。中国极少这种厂家。   

最早的视频传输是模拟的,也就是VGA界面,VGA(Video Graphics Array)视频图形阵列是IBM于1987年提出的一个使用模拟信号的电脑显示标准。VGA接口即电脑采用VGA标准输出数据的专用接口。VGA接口共有15针,分成3排,每排5个孔,显卡上应用最为广泛的接口类型,绝大多数显卡都带有此种接口。它传输红、绿、蓝模拟信号以及同步信号(水平和垂直信号)。至今在电脑和投影机领域仍然广泛使用。

进入液晶时代后,视频传输分为内部和外部两大类,外部的即DVI、HDMI、DP、MIPI DSI,内部则有TTL、LVDS、eDP、VBO。内部是指没有加装控制PCB板的液晶面板(Panel),只有驱动IC。车载SoC视频输出通常有三种,即LVDS、MIPI DSI、DP/eDP/HDMI。

除HDMI外,MIPI/eDP/VBO/LVDS格式转换市场比HDMI要好一些,其中VBO/MIPI市场前景最广阔,日本厂家东芝和松下实力较强。   

MIPI桥接芯片国内则有晶门科技、北方集创、龙讯半导体。集创北方主要产品线包括全尺寸面板驱动(LCD/AMOLED Driver)、触控(Touch)、指纹识别芯片、电源管理芯片(Power IC)、信号转换(Convertor)、时序控制(Timing Controller; TCON)及LED显示驱动。2019 年集创北方整体公司营收15亿人民币,其中LED驱动IC的营收贡献 8亿人民币,且年出货达到3200KK。相较于2018年6亿人民币的营收规模来说,大幅成长34%。AMOLED大屏驱动、电源管理和时序控制收入大约5个亿。MIPI桥接所占收入比例极低。晶门科技是香港上市企业,代码2878。2019年收入大约1.1亿美元,其产品线主要是PMOLED驱动IC,主要用于便携与可穿戴领域。还有就是大屏AMOLED驱动IC。MIPI桥接IC所占收入比例极低。   

内部接口方面,最早出现的是TTL,在HUD接口上大多仍然使用TTL接口。又称为RGB接口,在小尺寸LCD面板上仍有采用,在车内HUD上有使用,比如常见的TFT W型HUD其显示屏一般是JDI的ACK453AKC-E,1.8英寸大小,分别率480*240,6比特RGB接口。

这之后是LVDS,LVDS只是传输协议,跟物理连接无关。LVDS,即Low Voltage Differential Signaling,是一种低压差分信号技术接口。它是美国NS公司(美国国家半导体公司)为克服以TTL电平方式传输宽带高码率数据时功耗大、EMI电磁干扰大等缺点而研制的一种数字视频信号传输方式。LVDS就分成单通道与双通道两种扁排线,前者负责传输视频信号的电线只有8条,后者就有16条,单通道LVDS最高只支持到1366×768的分辨率,若要支持1440×900(含)以上高分辨率的LCD屏,就一定要双通道LVDS的扁排线。分辨率越高,排线越密集,成本很高,体积很大。同时排线之间容易干扰。因此LVDS传输距离一般不超过30厘米。大部分小屏幕设备视频输出都是HDMI或MIPI,需要转换为LVDS信号。车内显示屏基本都是LVDS接口。

eDP,Embedded DisplayPort它是一种基于DisplayPort架构和协议的一种内部数字接口,。主要在新式笔记本电脑、工业电脑和工控机上使用。英特尔从Haswell(搭配8系列芯片组)平台之后,芯片组就取消LVDS接口的支持,只保留直接由CPU直接输出的eDP信号。4条线就可以传输2K视频,LVDS需要32条以上。微封包结构,能够实现多数据的同时传输,较大的传输速率,4lanes高达21.6Gbps,较小的尺寸,宽26.3mm,高1.1mm,利于产品的轻薄化,无需LVDS转换电路,简化设计,eDP通过数据加干扰可以取得较小的EMI(电磁干扰)。

LVDS只能传输图像数据信号,eDP使用类似通讯协议的封包传输,也可以传输控制信号。同时LVDS电压较高,现在的图像处理系统芯片都是0.11微米以下工艺,这种工艺无法做到高电压,eDP是低电压工艺,可以使用先进制程,LVDS无法支持4K,即使2K的成本也高于eDP,LVDS正在向eDP迁移,市场需求正在飞速增加。

还有一种LVDS的升级接口V-by-One,性能与eDP相当,但改动更少,LVDS几乎可以无缝过渡到V-by-One,在超大尺寸车载和显示器领域也有一席之地,如京东方为拜腾生产的28英寸超大车载屏。V-by-One® HS是THine(哉英电子)独立开发的专用于视频信号传输的Gb级串行化接口技术,Thine(哉英电子)通过将40bit/像素的图像数据转换为一对差分信号,使其每对传输线的最大传输速度可以达到4Gbps,结合上独家的均衡器技术,实现品质优良的数据传输性能。

外部接口方面,HDMI已经为大家熟知,未来变化也不大,无需赘言。DVI和DP都是用在电脑领域,车载领域极为罕见。唯一需要多说的是MIPI,这种原本为手机摄像头和显示屏开发的近距距离传输标准,目前越来越强大,应用范围越来越广。MIPI CSI针对摄像头,已经取得业内主流地位,DSI针对显示。两者的核心都是基于D-PHY,未来将会有C-PHY和A-PHY。

未来C-PHY也将进入市场,与D-PHY相比,它少了一条Lane,但传输带宽更高。目前最高的4lane10线带宽为18Gbps,单Lane有4.5Gbps。C-PHY单Lane就可达到13.7Gbps。3Lane达41.1Gbps。控制总线也改为MIPI I3C,带宽达33Mbps。

C-PHY针对10K120级显示和1600万像素和3300万像素输入。

MIPI联盟最雄心勃勃的是A-PHY,这是转为长距离传输设计的PHY,意图取代目前热门的SerDes解串行桥接芯片。按照MIPI联盟的设想,第一步把A-PHY嵌入在桥接芯片内部,待时机成熟,把A-PHY嵌入传感器内部。无需使用任何桥接芯片,即可长距离传送数据。

信号传输分为并行与串行两种,在高速状态下,并行口的几根数据线之间存在串扰,而并行口需要信号同时发送同时接收,任何一根数据线的延迟都会引起问题。而串行只有一根数据线,不存在信号线之间的串扰,而且串行还可以采用低压差分信号,可以大大提高它的抗干扰性,所以可以实现更高的传输速率,尽管并行可以一次传多个数据位,但是时钟远远低于串行,所以目前串行传输是高速传输的首选。不过相同频率下,并行传输的效率较高,因此在近距离高速传输中,并行更常见。像笔记本电脑屏幕与主板的LVDS传输,电脑内部的硬盘与主板,芯片内部的PCIe都是并行。

在车载领域,传输线要求一根电缆最好,通常都是一根同轴电缆,这样即降低成本、又提高可靠性、又降低EMI电磁干扰,这就必须用采用串行形式,但有些数据格式是并行的如MIPI,这就需要解串行的形式,在传输前将数据格式整形为串行,在接收后将数据格式转换为并行,这就是SerDes。通常是MIPICSI或MIPI DSI转LVDS。德州仪器是车载显示解串行芯片的主要厂家,几乎垄断市场,美信半导体在车载摄像头解串行芯片领域则有一席之地

目前在高像素方面,美信比德州仪器更强,MAX9296可以对应两个800万像素摄像头。在360全景领域,MAX9286也有压倒性优势。