車載娛樂系統(tǒng)LVDS傳輸?shù)腅MC設(shè)計(jì)方案研究

岳鋼

延鋒偉世通電子科技（上海）有限公司 上海市 200233

隨著汽車內(nèi)部整合的安全和輔助電子設(shè)備的增加，汽車領(lǐng)域?qū)Ω咚倩ヂ?lián)的需求急劇增長，主要集中在用于駕駛支持的的視頻系統(tǒng)和車載娛樂系統(tǒng)等（數(shù)字儀表、娛樂終端顯示、行車記錄儀、360環(huán)視攝像頭、人眼疲勞檢測(cè)、視頻會(huì)議攝像頭、手勢(shì)識(shí)別攝像頭、抬頭顯示），這些應(yīng)用要求高速數(shù)據(jù)傳輸，以滿足圖像傳遞的要求。正是這些需求的增長，帶動(dòng)LVDS產(chǎn)品在這些領(lǐng)域大規(guī)模使用。

1 LVDS工作原理

LVDS（低壓差分信號(hào)）是一種低擺幅的差分信號(hào)技術(shù)，它使得信號(hào)能在差分PCB線對(duì)或平衡電纜上以幾百M(fèi)bps的速率傳輸，其低壓幅和低電流驅(qū)動(dòng)輸出實(shí)現(xiàn)了低噪聲和低功耗。

這種模式固有的共模抑制能力提供了高水平的抗干擾性，由于具有較高的信噪比，信號(hào)幅度可以降低到大約350mV，允許非常高的傳輸速率，見圖2。

圖1 LVDS在車載系統(tǒng)上的應(yīng)用框圖

圖2 LVDS工作原理圖

2 LVDS傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)

目前LVDS傳輸方式越來越多的被用于高速信號(hào)傳輸，與其他信號(hào)傳輸方式相比在高速數(shù)據(jù)傳輸性能方面具有比較明顯的優(yōu)勢(shì)，具體體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：

2.1 速率高

LVDS信號(hào)通常具有范圍在350mV-400mV之內(nèi)的較小的邏輯幅值的擺動(dòng)，這種小幅度的擺動(dòng)有利于信號(hào)快速實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)，從而具有很高的傳輸速率。

2.2 噪聲低

LVDS信號(hào)是低壓差分信號(hào)，差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸方式比單端數(shù)據(jù)傳輸對(duì)共模輸入噪聲有更強(qiáng)的抵抗能力，在兩條差分信號(hào)線上，電流的方向、電壓振幅相反，而接收器只關(guān)心兩信號(hào)的差值，故噪聲以共模方式同時(shí)耦合到兩條線上時(shí)，能夠被抵消，同時(shí)兩條信號(hào)線周圍的電磁場(chǎng)也相互抵消，因此，兩條差分信號(hào)線比TTL單端信號(hào)傳輸?shù)碾姶泡椛湫〉枚唷６?，恒流源?qū)動(dòng)模式不易產(chǎn)生振鈴和切換尖鋒信號(hào)，進(jìn)一步降低了噪聲。

2.3 功耗小

其他電路接口技術(shù)如GTL等電源電流會(huì)隨著系統(tǒng)工作頻率的增加而呈指數(shù)形式的增長，而LVDS驅(qū)動(dòng)器的電流源恒定，其電源電流會(huì)一直保持平坦的狀態(tài)，所以這種驅(qū)動(dòng)模式很大程度的減小了功耗。以實(shí)際數(shù)值為例，假設(shè)負(fù)載端電阻為100Ω，流經(jīng)其的電流大小為3.5mA，通過功率的計(jì)算可知LVDS的功耗僅為1.2mW。而作為參照的GTL卻有1V電壓在負(fù)載電阻上，此時(shí)流經(jīng)負(fù)載的電流為40mA，可得知負(fù)載的功耗高達(dá)40mW。

3 LVDS信號(hào)的EMC設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 LVDS信號(hào)的PCB設(shè)計(jì)要點(diǎn)

由LVDS信號(hào)的工作原理及特點(diǎn)可以看出：LVDS信號(hào)不僅是差分信號(hào)，而且還是高速數(shù)字信號(hào)，如果不對(duì)PCB走線進(jìn)行嚴(yán)格的控制，很容易造成產(chǎn)品的EMI和EMS測(cè)試失效，影響產(chǎn)品的開發(fā)日程。

3.1.1 需要采用多層板設(shè)計(jì)方案。由于LVDS信號(hào)屬于高速信號(hào)，必須在相鄰層預(yù)留地平面來作為LVDS信號(hào)的返回路徑。

圖3 緊耦合差分微帶線阻抗計(jì)算模型

3.1.2 對(duì)LVDS走線進(jìn)行信號(hào)阻抗計(jì)算與控制。LVDS信號(hào)的電壓擺幅只有350mV，適用于電流驅(qū)動(dòng)的差分信號(hào)方式工作。為了確保信號(hào)在傳輸線當(dāng)中傳播時(shí)不受反射信號(hào)的影響，LVDS信號(hào)要求傳輸線阻抗受控，通常差分阻抗為（100±10）Ω，圖3為利用SI9000進(jìn)行差分微帶線的設(shè)計(jì)模式。

3.1.3 實(shí)施分段等長原則。這種方法可以加強(qiáng)差分線本體的平衡性，提升差分線的共模抑制比[1]。圖4中對(duì)于LVDS差分線，除了從LVDS端口至芯片這一段要求等長外，也要求在端口與共模濾波器，共模濾波器與隔直電容，隔直電容與LVDS芯片端口之間的差分走線也要保證等長設(shè)計(jì)原則。

圖4 LVDS的分段等長設(shè)計(jì)

3.1.4 LVDS走線需要遠(yuǎn)離其他信號(hào)走線。由于LVDS屬于高速信號(hào)，快速的上升下降沿會(huì)帶有很多諧波干擾，如果其他信號(hào)距離LVDS信號(hào)線過近，不但會(huì)形成天線將LVDS的高頻干擾輻射出去，還容易帶來自身的信號(hào)完整性問題。對(duì)于圖5中的長距離LVDS走線，如果條件允許，需要在LVDS線的兩側(cè)增加地孔，形成地柵保護(hù)，地孔之間的距離需要小于LVDS信號(hào)有效最高次諧波波長的1/10，這樣的設(shè)計(jì)可以有效防止干擾信號(hào)帶來的EMI影響。

圖5 LVDS走線的地柵保護(hù)

3.1.5 由于高速信號(hào)傳輸路徑中，過孔不僅僅具有電氣連接性，如果高速信號(hào)通過此過孔時(shí)，由于信號(hào)源阻抗和過孔阻抗不匹配，這將會(huì)造成信號(hào)反射[4]，甚至帶來信號(hào)的抖動(dòng)，所以車載產(chǎn)品中的LVDS的傳輸線需要走在PCB表層，如果走在內(nèi)層，換層時(shí)的的過孔所帶來的阻抗不連續(xù)會(huì)導(dǎo)致LVDS信號(hào)眼圖的劣化，降低LVDS信號(hào)的抗擾能力。

3.1.6 LVDS信號(hào)需要避免跨分割走線。

對(duì)于高速信號(hào)線，如果參考平面發(fā)生改變，會(huì)引起阻抗不匹配，導(dǎo)致信號(hào)傳輸過程中出現(xiàn)回波反射現(xiàn)象，當(dāng)反射增大時(shí)不但造成LVDS信號(hào)眼圖劣化，降低抗干擾能力，也會(huì)增加高次諧波的能量，引起新的EMI問題。

3.2 LVDS模塊的布局

LVDS傳輸?shù)陌l(fā)送端芯片和接收端芯片在產(chǎn)品的整體布局設(shè)計(jì)時(shí)，都要盡量優(yōu)先將該模塊放置在LVDS接口附近，這樣可以保證LVDS輸出或輸入線最短。由于LVDS是一種高速低壓信號(hào)，高頻諧波分量的能量很高，較短的LVDS走線可以降低空間輻射能量，降低EMI失效風(fēng)險(xiǎn)。其次，雖然LVDS的差分走線形式具有很好的共模抑制特性，但是如果走線過長，會(huì)增加干擾信號(hào)耦合的機(jī)率，為了降低后期設(shè)計(jì)變更的影響，在前期設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)優(yōu)先將LVDS模塊布局在端口附近。

3.3 LVDS接口設(shè)計(jì)

目前車載產(chǎn)品的LVDS接口主要有兩種接口形式，一種是圖6所示Mini USB接口形式，另一種是圖7所示Rosenberge的HSD接口形式，在進(jìn)行端口設(shè)計(jì)時(shí)我們只會(huì)使用其中一對(duì)差分管腳，對(duì)于其他管腳要進(jìn)行接地處理。如果不進(jìn)行接地處理，外部LVDS傳輸線內(nèi)的多余線束會(huì)成為一根天線，將外部的干擾耦合在LVDS傳輸線上，對(duì)LVDS信號(hào)造成干擾。選取一臺(tái)采用LVDS連接主機(jī)與前屏的車載娛樂系統(tǒng)進(jìn)行ESD測(cè)試對(duì)比，在將Mini USB接口中空置的管腳懸空處理時(shí)發(fā)現(xiàn)，該娛樂系統(tǒng)在進(jìn)行±4kV的耦合放電時(shí)會(huì)出現(xiàn)屏幕抖屏現(xiàn)象，無法滿足通用的EMC測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)需求。在將Mini USB接口的空置管腳進(jìn)行接地處理后，耦合放電未發(fā)現(xiàn)問題。

圖6 Mini USB端口的設(shè)計(jì)方案

圖7 HSD端口的設(shè)計(jì)方案

圖8 LVDS線束插入損耗對(duì)比圖

3.4 LVDS傳輸線的選擇

由于LVDS是高速信號(hào)線，所以車載產(chǎn)品中連接主機(jī)和顯示屏的LVDS的線束選擇也會(huì)影響產(chǎn)品的EMC性能。在選擇LVDS線束時(shí)不光要關(guān)注100Ω的阻抗匹配參數(shù)，還要關(guān)注LVDS線束的插入損耗曲線。圖8所示，LVDS線束2在低于4G頻率段的插入損耗與LVDS線束1最大相差了6~7dB，當(dāng)遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)這樣的插入損耗差異已經(jīng)能夠嚴(yán)重影響到LVDS信號(hào)的抗擾性能。

分別采用1.5m長的LVDS線束1和LVDS線束2連接相同的娛樂主機(jī)和顯示屏進(jìn)行1GHz～3GHz范圍內(nèi)的100V/m的輻射抗擾測(cè)試，在使用LVDS線束2時(shí)，在1990MHz-2280MHz，2360MHz-2660MHz頻段會(huì)出現(xiàn)黑屏現(xiàn)象，在更換LVDS線束1后該現(xiàn)象消失，這個(gè)比對(duì)實(shí)驗(yàn)說明了在進(jìn)行LVDS整體傳輸設(shè)計(jì)時(shí)需要整體考慮產(chǎn)品的頻率特性需求，不單單要保證LVDS模塊自身的工作性能，還要采用合適的傳輸線進(jìn)行信號(hào)傳輸才能得到良好的EMC性能。

4 結(jié)語

對(duì)于日益增多的人機(jī)對(duì)話界面，LVDS傳輸被越來越多的應(yīng)用在車載電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)當(dāng)中，由于它的高速低壓特性，在整個(gè)電子設(shè)計(jì)中EMC設(shè)計(jì)成為重要的一環(huán)，為了保證產(chǎn)品的開發(fā)進(jìn)度，必須在設(shè)計(jì)初期就要全面考慮LVDS模塊的EMC設(shè)計(jì)方案，提高設(shè)計(jì)驗(yàn)證的一次通過率。