Отображение SerDes-соединений: чего требуют от проектирования интерфейсы 8K и высокоскоростные интерфейсы.

Пара сериализатор-десериализатор решает проблему, с которой не справляются обычные параллельные и низковольтные каналы связи: она передает огромную скорость передачи пикселей по кабелю, который должен выдерживать воздействие транспортного средства, оборудования или здания. Однако она не упрощает электрическую схему. Канал, тактирование, питание и теплоотвод становятся первостепенными задачами, и дисплей перестает быть самой требовательной частью системы.

Что именно передает канал SerDes?

Пиксели, управление и зачастую питание — всё в одной паре.

В SerDes-соединении данные дисплея, канал управления и часто питание передаются по одному или двум проводникам последовательно, поэтому дисплей может находиться в нескольких метрах от хоста, а кабель будет тонким, гибким и недорогим.

Именно такое сочетание объясняет появление подобной архитектуры в транспортных средствах, промышленных машинах и медицинских тележках, где панель удалена от электроники, а жгут проводов должен выдерживать движение и вибрацию. Сериализатор расположен рядом с главным устройством, десериализатор — рядом с панелью, а связь между ними обеспечивает прямой канал для видео и обратный канал для управления и диагностики. Поскольку канал управления является двунаправленным и низкоскоростным, один и тот же кабель может передавать данные сенсорного экрана, управление подсветкой, показания температуры и журнал неисправностей, что исключает необходимость в отдельном жгуте проводов, который потребовался бы для параллельного интерфейса. Взамен получается, что связь теперь представляет собой высокоскоростную аналоговую систему, и конструкция дисплея наследует её ограничения.

Какие требования предъявляет к каналу более высокая скорость соединения?

Контролируемое сопротивление, полоса пропускания и обратный путь.

По мере увеличения скорости передачи данных кабель перестает вести себя как провод и начинает вести себя как линия передачи, поэтому управление импедансом, вносимые потери и обратный путь определяют, замкнется ли связь.

Три требования сжимаются одновременно. Импеданс кабеля, разъема и дорожки на плате должен совпадать в пределах допуска, сохраняющегося во всем частотном диапазоне, поскольку несоответствие приводит к отражениям, которые закрывают «глазок» на приемнике. Вносимые потери должны оставаться в пределах бюджета эквалайзера, что ограничивает практическую длину кабеля и количество разъемов в цепи. И обратный путь должен быть непрерывным, поскольку при таких скоростях обратный ток следует за сигнальным путем, а нарушение опорной плоскости приводит к излучаемому шуму и работе связи на одном отсчете, но не на следующем. Правила физического уровня для мобильных каналов связи определены спецификацией MIPI DSI и спецификацией MIPI CSI-2 , в то время как семейство автомобильных сериализаторов, таких как TI FPD-Link, описывает требования к каналу для своих собственных устройств.

Как работает синхронизация по каналу связи?

Часы встроены и извлечены.

В большинстве SerDes-соединений для отображения тактовый сигнал встраивается в поток данных и восстанавливается на десериализаторе, поэтому отдельный тактовый проводник отсутствует, и расчет временного бюджета смещается в сторону дрожания восстановленного тактового сигнала.

Это удобно для жгута проводов, но требовательно к конструкции. Поскольку тактовый сигнал восстанавливается, любые колебания на линии связи становятся колебаниями на восстановленном тактовом сигнале, и контроллер синхронизации панели должен это учитывать. Практические меры контроля заключаются в том, чтобы максимально сократить длину трассы между десериализатором и панелью, поддерживать качество опорного тактового сигнала на сериализаторе и избегать прокладки линии связи рядом с импульсными источниками питания или драйверами подсветки, шум которых будет добавляться к потоку. Если панель расположена на той же плате, что и десериализатор, соединение может быть выполнено с помощью обычной низковольтной линии связи, которая используется в нескольких модулях дисплея.

Ключевые параметры спецификации, определяющие результат.

Пять попыток сопряжены с риском.

К параметрам, определяющим работоспособность соединения, относятся требуемая частота обновления пикселей, тип и длина кабеля, количество разъемов, эквалайзер и энергетический бюджет десериализатора, а также теплопроводность на обоих концах.

Наличие диагностической панели — это преимущество, которое часто упускается из виду при анализе проекта, поскольку канал связи, сообщающий о собственных счетчиках ошибок, делает периодически возникающие неисправности измеримыми, а не просто случайными. В контексте безопасности готового оборудования применяется стандарт IEC 62368-1 , а требования к качеству сборки узлов на обоих концах соответствуют практике IPC.

Как меняется процесс генерации исходного кода при использовании архитектуры SerDes?

Данный канал связи становится квалифицированной подсистемой.

Когда дисплей подключен по каналу SerDes, панель, сериализатор, десериализатор, кабель и разъемы образуют единую квалифицированную подсистему, поэтому замена в любом месте этой цепочки требует повторной проверки канала.

Это меняет коммерческую ситуацию в трех аспектах. Спецификация, отправляемая поставщику, должна указывать тип соединения, тип кабеля и длину, поскольку поведение панели зависит от качества восстановленного тактового сигнала. Предоставляемые данные должны включать запас прочности соединения или количество ошибок при экстремальных температурах и длине кабеля, а не только оптические данные панели. Кроме того, необходимо учитывать доступность по всей цепочке, поскольку выход из строя десериализатора так же негативно сказывается, как и выход из строя панели, и квалификация второго поставщика охватывает оба случая. Динамика срока службы панелей и продукции в сегменте дисплеев отслеживается коммерческими исследовательскими компаниями, такими как TrendForce.

Распространенные ошибки в толковании архитектуры SerDes

Четыре варианта прочтения вводят в заблуждение.

Первая ошибка заключается в том, что работающий на стенде кабель рассматривается как доказательство работоспособности серийного жгута проводов, хотя стендовый кабель короткий, а серийный – нет. Вторая ошибка – предполагать, что запас мощности канала связи является исключительно свойством микросхемы, хотя большую его часть потребляют кабель и разъемы. Третья ошибка – игнорирование теплового пути в десериализаторе, который расположен рядом с панелью и часто в самой теплой части корпуса. Четвертая ошибка – игнорирование значения управляющего канала во время полевой диагностики.

Для каждой ошибки чтения есть недорогое решение. Проверьте соединение по длине и трассировке кабеля до завершения проектирования и запишите показания счетчиков ошибок, а не только изображение. Запросите у поставщика компонентов требования к каналу и сравните их с данными кабеля, а не с эмпирическим правилом. Разместите десериализатор с учетом пути тепловыделения, поскольку его рассеиваемая мощность связана с мощностью подсветки внутри герметичного корпуса. И включите диагностику на раннем этапе, потому что соединение, которое сообщает о собственном запасе мощности, гораздо проще проверить, чем то, которое показывает только изображение.

Что следует проверить перед утверждением проекта?

Запас прочности соединения при наихудших условиях кабеля и температуры.

Перед заморозкой измерьте запас прочности или количество ошибок на кабеле, используемом в производстве, на его максимальной длине, при обоих крайних значениях температуры, с использованием производственных разъемов и источников питания.

В обзор необходимо включить три дополнительных проверки. Подтвердите обратный путь и опорную плоскость через разъемы, поскольку обрыв разъема создает периодическую неисправность, которую трудно воспроизвести. Подтвердите тепловой путь десериализатора в соответствии с моделью корпуса, включая нагрузку подсветки. И подтвердите, что микропрограмма корректно обрабатывает ошибку связи, а не отображает зависшее изображение, поскольку продукт, который восстанавливается, гораздо проще поддерживать, чем тот, который требует перезагрузки питания. Связь между дисплеем и хостом по обратному каналу должна быть описана в документации по интерфейсу, а требования к физическому уровню вытекают из собственной спецификации канала связи.

Долгосрочная доступность для подключенного дисплея

Жизненный цикл охватывает всю цепочку.

Жизненный цикл дисплея SerDes охватывает панель, сериализатор, десериализатор, кабель и разъемы, и самое слабое звено в этой цепи определяет, как долго можно будет производить этот продукт.

В плане следует отдельно перечислить каждый элемент и зафиксировать, что происходит с каждым из них по окончании срока службы: письменный срок уведомления, объем последней закупки, привязанный к прогнозу, и документально подтвержденную альтернативу, оцененную на уровне звена, а не только на уровне компонента. При замене десериализатора необходимо повторно измерить запас прочности звена, поскольку два устройства с одинаковыми номинальными характеристиками могут отличаться по поведению эквалайзера. При замене кабеля необходимо сравнить потери на входе. Квалификация второго поставщика, проводимая в то время, когда первая цепочка поставок находится в исправном состоянии, является контролем, обеспечивающим возможность производства связанного продукта, а зафиксированные измерения запаса прочности делают замену дешевой.