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行動電話 SERDES 設計的進展
( 10 月 1 日 2007 年)
作者：Michael Fowler，Fairchild Semiconductor

具有更多功能和特性的超薄行動電話為系統設計帶來了一系列的挑戰。其中的問題大家都耳熟能詳：管理能耗，以及減少資料在行動電話中傳送時的雜訊。這種情況為矽晶片設計者提供了一個處理系統級設計問題的機會。Fairchild的設計團隊在為筆記型電腦和行動電話等器件設計串聯器/解串器（SERDES）的實踐中，學到了很多有關系統方法的寶貴經驗。
對於一款最初定位於行動電話的產品，需要對系統進行徹底研究，以及與許多客戶進行深入探討。Fairchild現在認為它的 µSERDES（micro-SERDES）系列設計需求與為先前電腦所開發的版本有相當大的差異。過去的 SERDES 與行動電話應用之間的差異包含了一些Fairchild小組首次面臨到的問題，如微控制器介面的串列化、作為關鍵設計因素的功耗、雙向的需求，以及射頻將成為採用 SERDES 的應用的組成部分之事實。
這個市場的需求與觀念與其他應用有如此大的差異，半導體供應商和系統製造商甚至會使用不同的詞彙。系統製造商所關心的可能是使 LCD 暫時停止工作的靜電放電（electrostatic-discharge，ESD）事件，而半導體製造商關心的是可能永久性摧毀器件的 ESD 事件。對 ESD 這種小問題的觀點差異，足以令人有興趣注意到表 1 的比較。無疑地，所有首次遇到的技術問題以及供應商-使用者命名法（supplier-user nomenclature）與觀點的差異都會產生出一些令人意想不到的事。
找出機會
一切都開始於 2001 年的一次客戶貿易展，當時某家行動電話製造商的一名產品工程師和Fairchild的一名工程師開始討論折疊式行動電話設計。Fairchild工程師對這個應用很感興趣，他曾經參與過筆記型電腦 SERDES 的創新發展。在很多方面，情況是相同的：顯示器與處理器位於不同地方。在電腦應用中，SERDES 技術使應用通過政府的電磁干擾（EMI）測試，如聯邦通信委員會（FCC）的需求。越來越多的更高頻率介面都在使用低電壓 CMOS（low-voltage-CMOS，LVCMOS）信令，該信令建造出了一個非常高 EMI 的環境，而此一環境可能無法再滿足 EMI 的限制。有了這些過去的經驗，Fairchild的工程師得出一個結論，SERDES 方法對行動電話應用的重要性可能與筆記型電腦相同。從系統的觀點來看，EMI 問題比在筆記型電腦上更令人關注。但當選擇器件時，與其他兩個主要問題比較，它卻是一種小得多的因素。這兩個關鍵問題是：敏感性（susceptibility）與線數。
使用者輸入
隨著Fairchild的設計團隊更加專注於為行動電話提供 SERDES的選擇，其成員認識到，主動與主要行動電話客戶設計工程師合作將是成功的關鍵。因此，這個團隊環遊世界，與所有主要的行動電話製造商討論應用上的需求。情況很快就明朗了，這個應用對 SERDES 來說不是標準的。行動電話的 SERDES 需要做一些徹底的修改才能被接受。
經過與客戶的初步探討，該小組發現系統並非總是同步的，並且可能沒有一個清晰的（defined）自由運行（free-running）的時鐘用於載入和傳輸資料。雙向的資料路徑是一個重要的設計考量，它需要對一個微控制器的資料路徑進行串列化；而與資料同步的時鐘也可能並不存在。另外，讀出、寫入週期也有幫助。
這些初始的需求顯示，這是一個完全不同的SERDES實現，最終還證明這只是最初的設計意外。就時序而言，該小組還需要將並行輸入介面從串列介面中分離（decouple）出來。資料將不會在方便的、正常的時鐘間隔進入，而是在微控制器“覺得想要”發送時才會到達。對一個讀出操作，當資料恰好沿一個錯誤方向行進時，則仍需要將控制信號送到相反方向。這兩種需求都完全超出了一個普通標準 SERDES 的能力。
像乙太網路 SERDES的高階 SERDES，具備其中某些性質，但對這類應用來說，則過於昂貴，且不能符合所有需求。顯然地，將資料封包（包括傳輸資訊的標頭資訊、錯誤檢測和糾錯）傳送至一個大約 10 cm 之外的顯示器，這種做法有些誇張。我們需要的設計只是一個基本的 SERDES，它可以雙向傳輸資料，並用一個非同步信號來鎖存（latch）進入的資料。
這時候出現了另一個重要的設計意外。雖然過去的 SERDES 應用設計者也須要注意 FCC的規定，但現在這個在處理 EMI 問題時，情況更糟糕。先前的應用必須低於 -60dBm 的輻射水平，才能確保系統不會干擾其他系統。由於有射頻存在，行動電話無法忍受這種水平的 EMI。µSERDES 設計不能與只有四分之一英寸以外的傳輸與接收射頻天線發生干擾。因此，-60 dBm 不再是目標，而新的目標是 -120 dBm。
下一個無法接受的規格是功耗。典型 SERDES 的功耗與需求相差幾個量級。電池壽命是行動電話設計中最重要的因素。每毫安培（milliamp）的工作電流都與通話時間息息相關，而對待機時間則要考慮每個微安培（microamp）的電流。隨著該小組對 SERDES 實現的分解，SERDES 對（SERDES pair）中的三個重要功耗元件浮現出來。器件中的數位邏輯和串列鏈結都會消耗相當大的電流，如鎖相環（phase-locked loop，PLL）。該小組確定，要在這個應用中使用差分信令方法，因為它的輻射最小，並且有高頻寬。在這時候，工程師還沒有意識到此一決策的重要性。作為降低功耗最顯著的部分，PLL 需要進一步地去研究。工作電流和待機電流都不令人滿意。待機電流差了三個數量級。
初步的規格
所有這些資訊都在制定初始產品規格時開始成形。工程師需要的是一種有串列功能的雙向器件，至少用於相機和 LCD，待機狀態下耗電不會多於 5 µA，工作狀態下小於 7 mA，EMI 低於 -120 dBm。這一市場的其他關鍵問題是，使用該器件的大多數工程師從來沒處理過串列問題，因此重要的是使器件盡可能地易於使用。
器件的初步草稿顯示了它將如何工作，並不符合大多數的標準。但是，如何提供重要特性仍留有一些需要解決的問題。圖 1 是工程師開始為客戶展示的方案。
圖中描繪的是接近量產的第一代器件設計。該器件為雙向，可以用於微控制器介面或一個像素介面（pixel interface）。當然，有些問題仍然存在，例如怎樣實現某些參數，如功耗、EMI 和微控制器讀出的操作，以及並行時鐘與串列時鐘的分離。舉例來說，現在的 EMI 需要大幅低於先前的 SERDES，目標值是 -120 dBm，而過去的典型值是 -70 dBm。另外，為標準像素介面提供像素時鐘、垂直同步、水平同步以及像素資料的這種方法，也是有必要的。但這件事倒是相當簡單，該小組認為它類似於先前的 SERDES。
現在，工程師已經對應用和客戶需求有了一些深入的理解。顯然，每個客戶對像素和微控制器介面的需求都會根據平臺的需求而變化。某些應用中的基頻處理器需要一個連線到 LCD 的微控制器介面，而其他基頻處理器則需要更標準化的像素介面。鑒於幾乎所有系統製造商都會使用來自多家供應商的處理器，因此一個製造商差不多總是對這兩種介面都有需求。
所以，提供一種雙介面方案的器件就很有優勢。另外，相同器件要能同時提供並行-串列和串列-並行的轉換。這種方案對客戶有很大好處，因為他們可以只需採購一種產品，而不是四個或六個器件。這樣能降低庫存需求，並提供大量採購的價格優勢。設計的決定是需要這種器件是雙向的，每個器件都同時包含用於微控制器操作的一個串聯器和一個解串器，並且串列 I/O 採用差分方法以降低 EMI。
該設計團隊的一個重要突破是差分 I/O。儘管差分 I/O 被稱為電流模式，但所有差分 I/O 都使用電壓電平接收器。接收器尋找兩個信號之間的電壓差，以判定 1 或 0。經過仔細考慮以後，設計團隊決定轉向電流方向。與很多好主意一樣，優點回想起來似乎很明顯。電流的方向比電壓電平更穩定，因而區分 1 和 0 所需的驅動數也要少得多。事實上，其擺幅可以低至 50 mV，而電壓差最小是 250 mV。這在同一個 100Ω 終結電阻上的驅動要小五倍。該小組將這種新的 I/O 技術稱為電流傳輸邏輯（current-transfer logic，CTL）。
確認/反饋
新技術需要再一次拜訪客戶，以解釋此一概念並尋求進一步理解應用的需求。在這次與客戶的討論中，該小組搜集了一些更重要的細節。相機與 LCD 所在的位置相似，而兩端的資料路徑也是在一個相似的位置。工程師已有了一個雙向的µSERDES，因此，為什麼不嘗試用一對來完成兩組操作呢？此時，一個最關鍵的資訊（也是另一個設計意外）也浮現出來。
當我們向一家重要客戶展示 CTL 和 EMI 低擺幅和低功耗的優點時，一位客戶的有經驗的工程師提到，由於敏感性考慮，低擺幅可能成為一個問題。“敏感性”是電信號易受射頻雜訊影響的程度，射頻雜訊會干擾信號，造成資料損壞。這一觀點非常重要。現在，在信號方程式的兩端都有障礙存在。一方面，小組有一個輻射問題，因此需要使信號盡可能的小。另一方面，小組又遇到了射頻雜訊，太小的信號會受到相當大的干擾。
工程師正逐漸接近於一個合理的方案，而客戶卻對使用一對µSERDES 的想法產生了興趣，這樣能在不增加其他器件對的情況下，進一步減少排線中的電線數目。有趣的是，有一點逐漸明朗，即客戶並不太害怕 EMI 。他們一直在處理 EMI的問題，因此與電線數相比，EMI 就不算是問題了。由於摺疊式行動電話的出現，以及需要透過上蓋和行動電話底座之間的微型鉸鏈傳送所有信號，因此減少線數是系統設計者的困難點。他們早期的方式可能是採用低功耗低壓差分信令（LPLVDS），但也對 CTL 有很大的信心。支援一個輻射小於 -120 dBm 的信令結構可能有很大的優勢，因為它會減少對差分信號柔性纜線的遮罩需求。更重要的是，遮罩會影響到柔性纜線的特性阻抗（characteristic impedance）。另外，CTL 還能節省功耗，並且由於接收器的結構而有更強健的敏感性。
最終設計決策
微控制器介面時鐘（microcontroller-interface clocking）方案是完全與串列時鐘和並行時鐘分離的。該小組仍然需要透過基於 PLL 的乘法（PLL-based multiplication）產生串列時鐘，以及選通並行資料的主控信號（例如：寫入使能）。這種想法的推斷，讓第二代器件得以開發出來，即超低功耗（ultralow-power，ULP）µSERDES。
在功耗問題方面，CTL 大幅降低了 LPLVDS 的功耗，但這種節省還不夠。該小組至少需要去掉一個 PLL，這樣就能節省相當多的功耗了。在去掉一個 PLL 和用 CTL 減少電流之間，該小組幾乎可以將電流減半。問題是，他們需要在串聯器和解串器之間發送三組資訊：數據；當各位元到達解串器時提供計時的位元時鐘；以及用來為解串器識別一個字第一位元的字時鐘（word clock）或字邊界（word boundary）。
除非工程師希望透過六根線發送三個信號，他們就需要在解串器上都有一個 PLL，提供位元時鐘（bit clock）或字時鐘（word clock）。否則，他們就必須想出一個創新的方案。他們推斷，放棄一個 PLL 很重要，而去掉一個 PLL，又不會給客戶增加過分負擔的唯一位置就是在解串器處。最簡單的方案是用一個位元時鐘發送串列資料，將資料按時鐘送入解串器。現在，挑戰成了如何不使用 PLL 或增加其他差分信號來發送字時鐘。
一名工程師決定，如果能夠巧妙地處理兩個信號來對字邊界進行編碼，就能解決這個問題。在串列串流（serial stream）上增加兩個位元，就得到了一個能定義字邊界的唯一型樣。在這兩位元的時間內，如果時鐘未雙態觸變，而資料卻雙態觸變了，則出現一個單數序列（singular sequence），你很容易將其判讀為字邊界。更好的是，你可以將它與每個字區分開來。大部分用於對時鐘編碼的方案是用一個 PLL和數千個字，透過一種重複的識別演算法來找到字邊界。這種巧妙的方法能夠立即識別出字邊界。如果系統由於大量雜訊事件而遺失了字邊界，也只會丟掉一個字。
設計折衷
該小組已經解決了所有已知的障礙，為行動電話設計者提供一種初始的 SERDES 方案。它滿足了客戶的需求，提供了先進的功耗、EMI 與敏感性，可以用於一個微控制器或像素介面。
在工程師的第一代產品中，他們需要作出一些權衡（圖 2）。表 2 列出了一些最重要的部分。主要參數包括功耗、尺寸與成本，所有這些對行動電話設計都一樣重要。
此一計畫的主要不足是，它是半雙工方案，小組最初認為使用單對µSERDES 在系統級實現上過於龐大，而讀出操作不像小組所預期的那樣好。
由於系統方法以及在設計期間與客戶的密切互動，該公司一收到對產品的確認，產品就可以開始出貨。小組對這個計畫的成功感到很高興。產品有三個分別適用於相機和 LCD 的衍生產品，以及一個針對特定應用的產品。12位元的器件是以相機為目標，它幾乎總是一個 8位元的像素介面。該器件亦用於 8位元LCD 像素的介面中。第二個版本的目標是典型的 16位元或 18位元LCD 像素介面。第三個部件則用於微控制器。
由於 SERDES 概念對於行動電話設計者來說如此新穎，工程師針對工作模式發展出了詳細的應用說明，並提供評估卡，以便於進行測試。為進一步簡化這種與以往行動電話設計有顯著差異的技術實現，並且時間是如此地緊迫，他們提供行動電話的連接線路，顯示出 µSERDES 的實際應用。應用小組從客戶那裏獲得多款的行動電話，將它們拆開後插入 µSERDES，並展示出它們能夠正常工作。
下一步
該小組與初始的計畫同步開始確定下一代產品。下一代產品改善了初始設計概念，但需要的開發時間超出了初始專案的範疇。最新推出的 ULP 器件使用了分離的並行與串列時鐘，更進一步降低了功耗。
由於不需要為並行與串列資料串流進行同步，因此就可以取消第二個 PLL。從第一代產品開始，取消所有 PLL 就已經成為一個目標。該小組知道，可能只需一個內部產生的時鐘來為串列串流提供時鐘。這將大幅降低功耗，並且提供一個不需要系統時鐘的微控制器介面。
省去第二個 PLL 本身是一個突破。當小組明白時鐘能夠一直以最大規格頻率運行時，結果會更好。此時，串列串流可以在介面叢發（burst），而器件對則可以進入一種偽斷電的（pseudo-power-down）狀態，即每個傳輸週期的大部分時間作叢發式待機，而不是持續維持上電的待機。
工程師經常把動態功率看作與工作頻率相關。這種假設並不正確。實際的情況是，動態功耗依賴於每單元時間的邊緣（edge）數量。由於小組在每單位時間傳送一個特定數量的位元或邊緣，因此動態功耗不會由於較高速度而惡化。而傳輸後的叢發待機會很明顯地降低靜態功耗。此外，對於不連續工作的微控制器，也會由於操作之間的叢發待機而顯著地降低平均功耗。
作一個比較，第一代 24位元的FIN24xx 有最先進的功耗，它使用一個恒定時鐘，對一個 5.44 MHz 像素介面而言，大約每對器件耗電 14 mA。24位元的 FIN324 是一款 ULP 器件，對 5.44 MHz 像素介面而言，每對器件約耗電 6 mA（圖 3）。微控制器介面需要一個有關工作時間的百分比假設。一個合理的估計是微控制器在 30% 的時間內工作。在這種估計下，如果微控制器的頻率也是相同的 5.44 MHz，則耗電量大約為3 mA。
最後，工程師的經驗告訴他們，你可以將一個市場（電腦）的 SERDES 設計經驗應用到有不同需求的其他市場。但這種轉換需要經過縝密的研究、與客戶的對話，以及將設計焦點從晶片轉移到最終系統的一種意願（圖 4）。這也意味著設計社區不僅有各種考慮因素，而且還要有不同的討論語言。

作者簡介
Michael Fowler 是Fairchild半導體公司的一名技術人員，也是 µSERDES 設計團隊的一位成員。他的聯絡方式是 michael.fowler@fairchildsemi.com。





圖片說明

圖 1 一個雙向、16位元SERDES 的基本建構區塊包括一個 PLL 和一個時鐘產生器。

圖 2 第一代 µSERDES 需要在設計上做相當多的權衡。

圖 3 24位元的 FIN324 是一款 ULP 器件，對 5.44 MHz 像素介面而言，每對器件耗電大約 6 mA。

圖 4 由於 42 球的 BGA 仍能容納雙介面、清楚地控制信號，以及不需要外部時鐘，ULP 封裝尺寸保持不變。


Click here for Illustrations:

Table 1

Table 2

Figure 1

Figure 2

Figure 3

Figure 4
 
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