Collegamenti SerDes per la visualizzazione: cosa richiedono le interfacce 8K e ad alta velocità per la progettazione

Una coppia serializzatore-deserializzatore risolve un problema che i normali collegamenti paralleli a bassa tensione non possono affrontare: trasportare un'enorme velocità di trasmissione dei pixel attraverso un cavo che deve resistere a un veicolo, una macchina o un edificio. Ciò che non fa è semplificare la progettazione elettrica. Il canale, la temporizzazione, l'alimentazione e il percorso termico diventano tutti aspetti prioritari, e il display non è più la parte più esigente del sistema.

Che cosa trasporta effettivamente un collegamento SerDes?

Pixel, controllo e spesso potenza, tutto in un'unica coppia.

Un collegamento SerDes serializza i dati del display, il canale di controllo e spesso anche l'alimentazione su uno o due conduttori, consentendo così di posizionare il display a diversi metri di distanza dall'host tramite un cavo sottile, flessibile ed economico.

Questa combinazione spiega perché l'architettura si ritrova in veicoli, macchinari industriali e carrelli medicali, dove il pannello è distante dall'elettronica e il cablaggio deve resistere a movimenti e vibrazioni. Il serializzatore si trova vicino all'unità host, il deserializzatore vicino al pannello e il collegamento tra di essi trasporta un canale di andata per il video e un canale di ritorno per il controllo e la diagnostica. Poiché il canale di controllo è bidirezionale e a bassa velocità, lo stesso cavo può trasportare dati touch, controllo della retroilluminazione, lettura della temperatura e registro degli errori, eliminando la necessità di un cablaggio separato, indispensabile per un'interfaccia parallela. Il compromesso è che il collegamento diventa un sistema analogico ad alta velocità e la progettazione del display ne eredita i limiti.

Quali requisiti deve soddisfare un collegamento più veloce per il canale?

Impedenza, larghezza di banda e percorso di ritorno controllati.

All'aumentare della velocità di trasmissione dei dati, il cavo smette di comportarsi come un semplice filo e inizia a comportarsi come una linea di trasmissione; pertanto, il controllo dell'impedenza, la perdita di inserzione e il percorso di ritorno determinano se il collegamento si chiude.

Tre requisiti sono strettamente interconnessi. L'impedenza del cavo, del connettore e della traccia del circuito stampato deve corrispondere entro una tolleranza che si mantenga costante nell'intero intervallo di frequenza, poiché una discrepanza produce riflessioni che interferiscono con il segnale in ricezione. La perdita di inserzione deve rimanere entro i limiti dell'equalizzatore, il che limita la lunghezza pratica del cavo e il numero di connettori nel percorso. Infine, il percorso di ritorno deve essere continuo, perché a queste frequenze la corrente di ritorno segue il percorso del segnale e un piano di riferimento interrotto produce rumore irradiato e un collegamento che funziona su un campione ma non sul successivo. Le regole del livello fisico per i collegamenti in stile mobile sono definite dalle specifiche MIPI DSI e MIPI CSI-2 , mentre una famiglia di serializzatori per il settore automobilistico come TI FPD-Link documenta le aspettative del canale per i propri dispositivi.

Come funziona la sincronizzazione tramite il collegamento?

L'orologio è incorporato e recuperato.

La maggior parte dei collegamenti SerDes per display incorpora il clock nel flusso di dati e lo recupera nel deserializzatore, quindi non c'è un conduttore di clock separato e il budget di temporizzazione si sposta nel jitter del clock recuperato.

Questo è conveniente per il cablaggio ma impegnativo per la progettazione. Poiché il clock viene recuperato, qualsiasi jitter sul collegamento si ripercuote sul clock recuperato e il controller di temporizzazione del pannello deve tollerarlo. I controlli pratici consistono nel mantenere la traccia tra il deserializzatore e il pannello il più corta possibile, nel mantenere la qualità del clock di riferimento sul serializzatore e nell'evitare di instradare il collegamento accanto ad alimentatori switching o driver per la retroilluminazione, il cui rumore verrebbe aggiunto al flusso. Quando il pannello si trova sulla stessa scheda del deserializzatore, il collegamento può essere realizzato con un collegamento a bassa tensione convenzionale, che è lo schema utilizzato in diversi moduli display.

Punti specifici che determinano il risultato

Cinque voci comportano il rischio.

I parametri che determinano il funzionamento del collegamento sono la frequenza di campionamento richiesta, il tipo e la lunghezza del cavo, il numero di connettori, l'equalizzatore e il budget di potenza del deserializzatore, nonché il percorso termico a entrambe le estremità.

La sezione diagnostica rappresenta un vantaggio spesso trascurato nelle revisioni di progetto, poiché un collegamento che riporta i propri contatori di errore rende misurabile un guasto intermittente, anziché basarsi su mere osservazioni. Il contesto di sicurezza per l'apparecchiatura finita è conforme alla norma IEC 62368-1 laddove applicabile, e le aspettative in termini di qualità di lavorazione per gli assemblaggi a entrambe le estremità sono conformi alle pratiche IPC.

Come cambia il processo di approvvigionamento con un'architettura SerDes?

Il collegamento diventa un sottosistema qualificato.

Quando il display è collegato tramite un collegamento SerDes, il pannello, il serializzatore, il deserializzatore, il cavo e i connettori formano un unico sottosistema qualificato, pertanto qualsiasi sostituzione in qualsiasi punto di tale catena richiede una nuova verifica del collegamento.

Ciò modifica il dialogo commerciale in tre modi. Le specifiche inviate a un fornitore devono indicare il collegamento, il tipo di cavo e la lunghezza, poiché il comportamento del pannello dipende dalla qualità del clock recuperato. Le prove fornite dovrebbero includere il margine di collegamento o il numero di errori alle temperature estreme e alla lunghezza del cavo, non solo i dati ottici del pannello. Inoltre, la disponibilità deve essere considerata lungo l'intera catena, poiché un deserializzatore che raggiunge la fine del suo ciclo di vita è altrettanto problematico quanto un pannello che raggiunge la fine del suo ciclo di vita, e la qualificazione del fornitore di seconda scelta copre entrambi. L'andamento del ciclo di vita dei pannelli e dei prodotti per il lato display viene monitorato commercialmente da società di ricerca come TrendForce.

Errori comuni di interpretazione di un progetto SerDes

Quattro letture possono essere fuorvianti.

Il primo errore consiste nel considerare un collegamento di prova funzionante come prova che il cablaggio di produzione funzionerà, quando il cavo di prova è corto e quello di produzione non lo è. Il secondo è presumere che il budget di collegamento sia una proprietà del solo chip, quando il cavo e i connettori ne consumano la maggior parte. Il terzo è ignorare il percorso termico del deserializzatore, che si trova vicino al pannello e spesso nella parte più calda del contenitore. Il quarto è trascurare il valore del canale di controllo durante la diagnostica sul campo.

Ogni errore di lettura ha una soluzione economica. Testate il collegamento sulla lunghezza e sul percorso del cavo di produzione prima che il progetto venga finalizzato e registrate i contatori di errore anziché solo l'immagine. Richiedete al fornitore del componente i requisiti del canale e confrontateli con i dati del cavo anziché affidarvi a una regola empirica. Posizionate il deserializzatore tenendo conto del percorso termico, poiché la sua dissipazione di potenza si unisce a quella della retroilluminazione all'interno di un contenitore sigillato. E abilitate la diagnostica fin da subito, perché un collegamento che segnala il proprio margine è molto più facile da qualificare rispetto a uno che mostra solo un'immagine.

Cosa bisogna verificare prima di finalizzare il progetto?

Margine di collegamento con il cavo e la temperatura peggiori.

Prima del congelamento, misurare il margine di collegamento o il numero di errori sul cavo di produzione nella sua lunghezza massima, a entrambe le temperature estreme, con i connettori di produzione e gli alimentatori di produzione.

Tre verifiche di supporto devono essere incluse nella revisione. Confermare il percorso di ritorno e il piano di riferimento attraverso i connettori, poiché un'interruzione in un connettore crea un guasto intermittente difficile da riprodurre. Confermare il percorso termico del deserializzatore rispetto al modello del contenitore, incluso il carico della retroilluminazione. Infine, verificare che il firmware gestisca correttamente un errore di collegamento anziché presentare un'immagine bloccata, poiché un prodotto che si ripristina è molto più facile da supportare rispetto a uno che richiede un riavvio. La comunicazione tra il display e l'host tramite il canale di ritorno deve essere inclusa nella documentazione dell'interfaccia, mentre le aspettative a livello fisico derivano dalle specifiche del collegamento stesso.

Disponibilità a lungo termine per un display collegato

Il ciclo di vita copre l'intera catena.

Un display SerDes ha un ciclo di vita che comprende il pannello, il serializzatore, il deserializzatore, il cavo e i connettori, e l'anello più debole di questa catena determina per quanto tempo il prodotto potrà essere realizzato.

Il piano dovrebbe elencare ogni elemento separatamente e registrare cosa accade a fine vita per ognuno: il periodo di preavviso per iscritto, una quantità di acquisto finale legata alle previsioni e un'alternativa documentata che sia stata valutata a livello di collegamento anziché solo a livello di componente. Quando si sostituisce un deserializzatore, il margine di collegamento deve essere rimisurato, perché due dispositivi con le stesse specifiche nominali possono differire nel comportamento dell'equalizzatore. Quando si cambia il cavo, è necessario confrontare la perdita di inserzione. Una qualifica di seconda fonte effettuata mentre la prima catena è in buone condizioni di fornitura è il controllo che mantiene realizzabile un prodotto collegato e le misurazioni del margine registrate sono ciò che rende la sostituzione economica.