ディスプレイSerDesリンク：8Kおよび高速インターフェースが設計に求めるもの

シリアライザとデシリアライザのペアは、通常のパラレルリンクや低電圧リンクでは解決できない問題を解決します。それは、車両、機械、建物などの過酷な環境下でも耐えうるケーブルを通して、膨大なピクセルレートを伝送できるという点です。しかし、電気設計が容易になるわけではありません。チャネル、クロック、電源、熱経路といった要素がすべて最優先事項となり、ディスプレイはもはやシステムの中で最も要求の厳しい部分ではなくなります。

SerDesリンクは実際には何を伝送するのでしょうか？

ピクセル、制御、そして多くの場合、電力供給が一体となったもの。

SerDesリンクは、ディスプレイデータ、制御チャネル、そして多くの場合電源を1本または2本の導体でシリアル化するため、ディスプレイをホストから数メートル離れた場所に設置でき、ケーブルは細くて柔軟で安価です。

この組み合わせこそが、パネルが電子機器から離れた場所にあり、ハーネスが動きや振動に耐えなければならない自動車、産業機械、医療用カートなどにこのアーキテクチャが採用されている理由です。シリアライザはホストの近くに、デシリアライザはパネルの近くに配置され、両者間のリンクはビデオ用の順方向チャネルと制御および診断用の逆方向チャネルを伝送します。制御チャネルは双方向かつ低速であるため、同じケーブルでタッチデータ、バックライト制御、温度測定、および障害ログを伝送でき、パラレルインターフェースに必要な別個のハーネスが不要になります。ただし、このリンクは高速アナログシステムとなり、ディスプレイ設計はその制約を受け継ぐことになります。

より高速なリンクは、チャネルにどのような要求を課すのでしょうか？

インピーダンス、帯域幅、および帰還経路の制御。

データレートが上昇すると、ケーブルは単なる電線としてではなく、伝送線路として振る舞い始めるため、インピーダンス制御、挿入損失、およびリターンパスによってリンクが閉じるかどうかが決まります。

3つの要件が密接に関連しています。ケーブル、コネクタ、およびボード配線のインピーダンスは、周波数範囲全体にわたって許容範囲内で一致している必要があります。これは、不一致があると、受信側でアイパターンを閉じる反射が発生するためです。挿入損失はイコライザーの許容範囲内に収まる必要があり、これにより、実用的なケーブル長と経路上のコネクタの数が制限されます。また、リターンパスは連続している必要があります。これは、これらのレートではリターン電流が信号経路に沿って流れるため、参照プレーンが途切れると放射ノイズが発生し、リンクが1つのサンプルでは機能するが次のサンプルでは機能しなくなるためです。モバイルスタイルのリンクの物理層ルールは、MIPI DSI仕様とMIPI CSI-2仕様で定義されていますが、 TI FPD-Linkなどの車載用シリアライザファミリは、自社デバイスのチャネル要件を文書化しています。

リンクを介したクロック同期はどのように機能するのですか？

時計は埋め込まれており、回収された。

ほとんどのディスプレイ用SerDesリンクは、クロックをデータストリームに埋め込み、デシリアライザでそれを復元するため、独立したクロックコンダクターは存在せず、タイミングバジェットは復元されたクロックのジッタに反映される。

これはハーネスにとっては都合が良い反面、設計上の制約も大きい。クロックが復元されるため、リンク上のジッタは復元されたクロックのジッタとなり、パネルのタイミングコントローラはそれを許容する必要がある。実用的な対策としては、デシリアライザとパネル間の配線をできるだけ短くし、シリアライザで基準クロックの品質を維持し、ノイズがストリームに加わるスイッチング電源やバックライトドライバの横にリンクを配線しないようにすることが挙げられる。パネルがデシリアライザと同じ基板上にある場合は、従来の低電圧リンクで接続できる。これは、いくつかのディスプレイモジュールで使用されている方式である。

結果を左右する仕様上のポイント

5つのエントリーにはリスクが伴います。

リンクが正常に動作するかどうかを決定する要素は、必要なピクセルレート、ケーブルの種類と長さ、コネクタの数、デシリアライザにおけるイコライザーと電力バジェット、および両端の熱経路です。

診断機能付き配線は、設計レビューにおいて見落とされがちな利点です。なぜなら、独自のエラーカウンタを報告するリンクであれば、断続的な故障を単なる逸話ではなく、測定可能な形で示すことができるからです。完成機器の安全性に関する規定は、該当する場合、 IEC 62368-1に準拠し、両端の組立における施工品質に関する要件は、IPCの慣行に従います。

SerDesアーキテクチャでは、ソースの調達はどのように変化しますか？

そのリンクは認定されたサブシステムとなる。

ディスプレイがSerDesリンクで接続されている場合、パネル、シリアライザ、デシリアライザ、ケーブル、コネクタは1つの認定サブシステムを構成するため、そのチェーン内のどこかで部品を交換すると、リンクの再検証が必要になります。

これにより、商業的な議論は3つの点で変化します。パネルの動作は復元されたクロック品質に依存するため、サプライヤーに送付する仕様には、リンク、ケーブルの種類、および長さを明記する必要があります。提供される証拠には、パネルの光学データだけでなく、温度とケーブル長の極限におけるリンクマージンまたはエラーカウントを含める必要があります。また、デシリアライザの寿命が尽きることはパネルの寿命が尽きることと同様に混乱を招くため、サプライチェーン全体で可用性を考慮する必要があり、セカンドソース認定は両方を対象としています。ディスプレイ側のパネルと製品寿命の動向は、TrendForceなどの調査会社によって商業的に追跡されています。

SerDes設計におけるよくある誤解

4つの読み方が誤解を招く。

1つ目は、ベンチテストで動作するリンクを、製品版ハーネスが動作する証拠として扱うことですが、ベンチテスト用のケーブルは短く、製品版のケーブルはそうではありません。2つ目は、リンクバジェットがチップのみの特性であると想定することですが、実際にはケーブルとコネクタがリンクバジェットの大部分を消費しています。3つ目は、パネルの近く、しかも筐体内で最も高温になることが多いデシリアライザの熱経路を無視することです。4つ目は、現場診断時に制御チャネルの値を見落とすことです。

誤読が発生した場合は、それぞれ安価な修正策があります。設計が確定する前に、実際のケーブル長と配線経路でリンクをテストし、画像だけでなくエラーカウンタも記録してください。コンポーネントベンダーにチャネル要件を問い合わせ、経験則ではなくケーブルデータと比較してください。デシリアライザは、密閉された筐体内でバックライトの放熱と重なるため、熱経路を考慮して配置してください。また、診断機能を早期に有効化してください。マージンを報告するリンクは、画像のみを表示するリンクよりもはるかに容易に評価できます。

設計凍結前に確認すべき事項は何ですか？

最悪のケーブルと温度条件下におけるリンクマージン。

凍結する前に、製造用コネクタと製造用電源装置を使用して、製造用ケーブルの最大長におけるリンクマージンまたはエラーカウントを、両方の温度範囲で測定してください。

レビューには、以下の3つの補助的なチェック項目を含める必要があります。コネクタを介したリターンパスと参照プレーンを確認してください。コネクタの断線は、再現が困難な断続的な障害を引き起こすためです。デシリアライザの熱経路を、バックライトの負荷を含めて筐体モデルと照合してください。また、ファームウェアがリンクエラーを適切に処理し、フリーズした画像を表示しないことを確認してください。電源の再投入が必要な製品よりも、復旧可能な製品の方がサポートがはるかに容易です。ディスプレイとホスト間のバックチャネルを介した通信はインターフェースドキュメントに記載し、物理層の要件はリンク自体の仕様から導き出してください。

リンクされたディスプレイの長期的な可用性

ライフサイクルはサプライチェーン全体を網羅する。

SerDesディスプレイのライフサイクルは、パネル、シリアライザ、デシリアライザ、ケーブル、コネクタにまたがり、そのチェーンの中で最も弱い部分が、製品の製造期間を決定する。

計画では、各要素を個別にリストアップし、それぞれの寿命終了時に何が起こるかを記録する必要があります。具体的には、書面による通知期間、予測に基づいた最終購入数量、およびコンポーネントレベルだけでなくリンクレベルで評価された文書化された代替品などです。デシリアライザを交換する場合は、同じ公称仕様の2つのデバイスでもイコライザの動作が異なる可能性があるため、リンクマージンを再測定する必要があります。ケーブルを変更する場合は、挿入損失を比較する必要があります。最初のサプライチェーンが健全な供給状態にある間に実施されるセカンドソース認定は、リンクされた製品の製造可能性を維持するための管理であり、記録されたマージン測定値は、代替品を安価にするためのものです。