SerDes-Verbindungen für Displays: Was 8K und Hochgeschwindigkeitsschnittstellen vom Design fordern

Ein Serialisierer-Deserialisierer-Paar löst ein Problem, das herkömmliche Parallel- und Niederspannungsverbindungen nicht bewältigen können: Es überträgt eine enorme Pixelrate über ein Kabel, das den Belastungen eines Fahrzeugs, einer Maschine oder eines Gebäudes standhalten muss. Vereinfacht wird dadurch jedoch nicht die elektrische Auslegung. Kanal, Taktung, Stromversorgung und Wärmeableitung rücken in den Vordergrund, und das Display ist nicht mehr der anspruchsvollste Teil des Systems.

Was genau überträgt eine SerDes-Verbindung?

Pixel, Steuerung und oft auch Energieversorgung in einem Paar.

Eine SerDes-Verbindung serialisiert die Anzeigedaten, den Steuerkanal und häufig auch die Stromversorgung auf ein oder zwei Leitern, sodass ein Display meterweit vom Host entfernt mit einem dünnen, flexiblen und kostengünstigen Kabel platziert werden kann.

Diese Kombination ist der Grund, warum diese Architektur in Fahrzeugen, Industriemaschinen und medizinischen Wagen zum Einsatz kommt, wo das Bedienfeld von der Elektronik entfernt ist und die Kabelbäume Bewegungen und Vibrationen standhalten müssen. Der Serialisierer befindet sich in der Nähe des Hosts, der Deserialisierer in der Nähe des Bedienfelds, und die Verbindung zwischen ihnen überträgt einen Vorwärtskanal für Video und einen Rückwärtskanal für Steuerung und Diagnose. Da der Steuerkanal bidirektional und mit niedriger Geschwindigkeit arbeitet, kann dasselbe Kabel Berührungsdaten, Hintergrundbeleuchtungssteuerung, Temperaturmessung und Fehlerprotokoll übertragen. Dadurch entfällt der separate Kabelbaum, der bei einer parallelen Schnittstelle erforderlich wäre. Der Nachteil besteht darin, dass die Verbindung nun ein analoges Hochgeschwindigkeitssystem ist und das Displaydesign dessen Einschränkungen übernimmt.

Welche Anforderungen stellt eine schnellere Verbindung an den Kanal?

Kontrollierte Impedanz, Bandbreite und ein Rückweg.

Mit steigender Datenrate hört das Kabel auf, sich wie ein Draht zu verhalten, und beginnt, sich wie eine Übertragungsleitung zu verhalten. Daher entscheiden Impedanzkontrolle, Einfügungsdämpfung und der Rückweg darüber, ob die Verbindung hergestellt werden kann.

Drei Anforderungen bedingen einander. Die Impedanz von Kabel, Stecker und Leiterbahn muss innerhalb einer Toleranz über den gesamten Frequenzbereich hinweg übereinstimmen, da Fehlanpassungen Reflexionen verursachen, die das Empfangsauge verkleinern. Die Einfügungsdämpfung muss innerhalb des vom Entzerrer vorgegebenen Bereichs bleiben, was die praktische Kabellänge und die Anzahl der Steckverbinder im Signalweg begrenzt. Der Rückweg muss durchgängig sein, da bei diesen Datenraten der Rückstrom dem Signalweg folgt und eine unterbrochene Referenzebene abgestrahltes Rauschen und eine Verbindung erzeugt, die nur bei einem Abtastwert funktioniert. Die Regeln der physikalischen Schicht für mobile Verbindungen sind in der MIPI-DSI-Spezifikation und der MIPI-CSI-2-Spezifikation definiert , während eine Automotive-Serialisiererfamilie wie TI FPD-Link die Kanalanforderungen für ihre eigenen Geräte dokumentiert.

Wie funktioniert die Taktung über die Verbindung?

Die Uhr ist eingebaut und wurde geborgen.

Bei den meisten SerDes-Verbindungen für Displays wird der Takt in den Datenstrom eingebettet und beim Deserialisierer wiederhergestellt, sodass kein separater Taktleiter vorhanden ist und das Timing-Budget in den Jitter des wiederhergestellten Takts übergeht.

Das ist zwar praktisch für den Kabelbaum, stellt aber hohe Anforderungen an die Konstruktion. Da der Takt wiederhergestellt wird, wirkt sich jegliches Jitter auf der Verbindung auch auf den wiederhergestellten Takt aus, und der Timing-Controller des Panels muss dies tolerieren. Praktische Maßnahmen bestehen darin, die Leiterbahn zwischen Deserialisierer und Panel so kurz wie möglich zu halten, die Qualität des Referenztakts am Serialisierer aufrechtzuerhalten und zu vermeiden, die Verbindung neben Schaltnetzteilen oder Hintergrundbeleuchtungstreibern zu führen, deren Rauschen dem Datenstrom hinzugefügt würde. Befindet sich das Panel auf derselben Platine wie der Deserialisierer, kann die Verbindung mit einer herkömmlichen Niederspannungsverbindung hergestellt werden, wie sie bei vielen Displaymodulen verwendet wird.

Spezifikationspunkte, die über das Ergebnis entscheiden

Bei allen fünf Einträgen besteht ein Risiko.

Die Faktoren, die darüber entscheiden, ob die Verbindung funktioniert, sind die erforderliche Pixelrate, der Kabeltyp und die Kabellänge, die Anzahl der Anschlüsse, der Equalizer und das Leistungsbudget am Deserialisierer sowie der Wärmepfad an beiden Enden.

Die Diagnosezeile ist ein Vorteil, der bei Designprüfungen oft übersehen wird, da eine Verbindung mit eigenen Fehlerzählern einen intermittierenden Fehler messbar und nicht nur anekdotisch macht. Der Sicherheitskontext für das fertige Gerät entspricht, wo anwendbar, der IEC 62368-1 , und die Anforderungen an die Ausführung der Baugruppen an beiden Enden entsprechen den IPC- Richtlinien.

Wie verändert sich die Datenbeschaffung bei einer SerDes-Architektur?

Die Verbindung wird zu einem qualifizierten Subsystem.

Wenn das Display über eine SerDes-Verbindung angeschlossen ist, bilden das Panel, der Serialisierer, der Deserialisierer, das Kabel und die Steckverbinder ein qualifiziertes Subsystem. Daher muss bei einem Austausch an irgendeiner Stelle dieser Kette die Verbindung erneut überprüft werden.

Das verändert die Geschäftsverhandlungen in dreierlei Hinsicht. Die an einen Lieferanten übermittelte Spezifikation muss die Verbindung, den Kabeltyp und die Kabellänge angeben, da das Verhalten des Panels von der Qualität des wiederhergestellten Taktsignals abhängt. Die vorgelegten Nachweise sollten neben den optischen Daten des Panels auch die Verbindungsreserve oder Fehleranzahlen bei extremen Temperaturen und Kabellängen umfassen. Die Verfügbarkeit muss entlang der gesamten Lieferkette berücksichtigt werden, da ein Deserialisierer, der das Ende seiner Lebensdauer erreicht, genauso störend ist wie ein Panel, und die Qualifizierung des Zweitlieferanten beides abdeckt. Die Lebensdauer von Panels und Produkten im Displaybereich wird von Marktforschungsunternehmen wie TrendForce beobachtet.

Häufige Fehlinterpretationen eines SerDes-Designs

Vier Lesarten führen in die Irre.

Erstens wird eine funktionierende Testverbindung fälschlicherweise als Beweis für die Funktionsfähigkeit des Serienkabelsatzes angesehen, obwohl das Testkabel kurz und das Serienkabel lang ist. Zweitens wird angenommen, dass die Link-Budgetierung allein vom Chip abhängt, obwohl Kabel und Steckverbinder den größten Teil davon beanspruchen. Drittens wird der Wärmepfad am Deserialisierer ignoriert, der sich in der Nähe des Bedienfelds und oft im wärmsten Bereich des Gehäuses befindet. Viertens wird der Wert des Steuerkanals bei der Felddiagnose außer Acht gelassen.

Jeder Lesefehler lässt sich kostengünstig beheben. Testen Sie die Verbindung über die serienmäßige Kabellänge und -führung, bevor das Design endgültig festgelegt wird, und erfassen Sie die Fehlerzähler anstatt nur das Bild. Fragen Sie den Komponentenhersteller nach den Kanalanforderungen und vergleichen Sie diese mit den Kabeldaten anstatt sich auf Faustregeln zu verlassen. Platzieren Sie den Deserialisierer unter Berücksichtigung des Wärmepfads, da seine Verlustleistung zusammen mit der der Hintergrundbeleuchtung in einem geschlossenen Gehäuse auftritt. Aktivieren Sie die Diagnosefunktionen frühzeitig, denn eine Verbindung, die ihre eigene Toleranz meldet, ist wesentlich einfacher zu bewerten als eine, die nur ein Bild anzeigt.

Was sollte vor dem endgültigen Designabschluss überprüft werden?

Verbindungsreserve bei ungünstigsten Kabel- und Temperaturbedingungen.

Vor dem Einfrieren messen Sie die Verbindungsreserve bzw. die Fehleranzahl über das Produktionskabel bei maximaler Länge, bei beiden Temperaturextremen, mit den Produktionssteckern und den Produktionsnetzteilen.

Drei unterstützende Prüfungen sind im Test enthalten. Überprüfen Sie den Rückleitungspfad und die Referenzebene über die Steckverbinder, da eine Unterbrechung an einem Steckverbinder einen sporadischen Fehler verursacht, der schwer zu reproduzieren ist. Überprüfen Sie den Wärmepfad des Deserialisierers anhand des Gehäusemodells, einschließlich der Belastung der Hintergrundbeleuchtung. Und überprüfen Sie, ob die Firmware einen Verbindungsfehler ordnungsgemäß abfängt, anstatt ein eingefrorenes Bild anzuzeigen, da ein Produkt, das sich selbst wiederherstellt, wesentlich einfacher zu unterstützen ist als eines, das einen Neustart erfordert. Die Kommunikation zwischen Display und Host über den Rückkanal gehört in die Schnittstellendokumentation, und die Anforderungen an die physikalische Schicht ergeben sich aus der Spezifikation der Verbindung selbst.

Langfristige Verfügbarkeit für ein verbundenes Display

Der Lebenszyklus umfasst die gesamte Wertschöpfungskette.

Ein SerDes-Display hat einen Lebenszyklus, der sich über das Panel, den Serialisierer, den Deserialisierer, das Kabel und die Steckverbinder erstreckt, und das schwächste Glied in dieser Kette entscheidet darüber, wie lange das Produkt hergestellt werden kann.

Der Plan sollte jedes Element einzeln auflisten und dokumentieren, was am Ende des Lebenszyklus für jedes Element geschieht: die schriftliche Kündigungsfrist, eine an die Prognose gekoppelte Mindestbestellmenge und eine dokumentierte Alternative, die auf Verbindungsebene und nicht nur auf Komponentenebene bewertet wurde. Wird ein Deserialisierer ausgetauscht, muss die Verbindungsreserve neu gemessen werden, da sich zwei Geräte mit denselben Nennspezifikationen im Entzerrerverhalten unterscheiden können. Bei einem Kabelwechsel muss die Einfügedämpfung verglichen werden. Die Qualifizierung eines Zweitlieferanten, während die erste Lieferkette intakt ist, stellt die Fertigungsfähigkeit eines verbundenen Produkts sicher, und die dokumentierten Reservemessungen ermöglichen einen kostengünstigen Austausch.