筆記本電腦VGA信號(hào)切換參考設(shè)計(jì)

筆記本電腦VGA信號(hào)切換參考設(shè)計(jì)

摘要：本文介紹了一種利用MAX4885E低電容VGA開關(guān)實(shí)現(xiàn)筆記本電腦視頻切換的解決方案。MAX4885E的電流損耗近乎為零，集成在4mm × 4mm封裝內(nèi)，器件包含了分立方案所需的絕大部分開關(guān)和有源元件。所有輸出端具有±15kV人體模式(HBM) ESD保護(hù)，設(shè)計(jì)人員可以省去大量的ESD保護(hù)元件，從而降低了成本、節(jié)省了電路板空間。本文給出了MAX4885E在筆記本電腦和塢站之間用于切換VGA信號(hào)的應(yīng)用電路。

 

概述

自1987年IBM研制出PC機(jī)以來，模擬VGA信號(hào)就一直是PC機(jī)的一部分。現(xiàn)在，大部分商用筆記本電腦需要與塢站和投影儀配合使用。幾乎所有投影儀都具有一個(gè)VGA端口，這是連接筆記本電腦最常用的方式。雖然DVI™和HDMI™等數(shù)字連接方式不斷涌現(xiàn)，大部分投影儀仍然僅支持VGA。

在數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)能夠完全替代筆記本電腦通用的藍(lán)色VGA連接器之前，對(duì)于VGA支持的需求還會(huì)延續(xù)很多年。Maxim推出的MAX4885E低電容VGA開關(guān)即是針對(duì)這種切換功能而設(shè)計(jì)的。

MAX4885E的電流損耗近乎為零，集成在4mm × 4mm封裝內(nèi)，器件包含了分立方案所需的絕大部分開關(guān)和有源元件。所有輸出端具有±15kV HBM (人體模式) ESD保護(hù)，設(shè)計(jì)人員可以省去大量的ESD保護(hù)元件，從而降低了成本、節(jié)省了電路板空間。

 

MAX4885E優(yōu)化用于VGA切換

RGB開關(guān)

RGB開關(guān)要求較寬頻帶，MAX4885E包含3路SPDT開關(guān)，50Ω負(fù)載下，具有大于900MHz的帶寬；在視頻系統(tǒng)通用的75Ω負(fù)載下，具有大于600MHz的帶寬。QSXGA制式(2560 × 2048)需要大約500MHz的帶寬，以保證通過三次諧波，保持波形質(zhì)量。有些設(shè)計(jì)人員采用傳統(tǒng)的具有12pF電容的“總線開關(guān)”，而MAX4885E的電容只有6pF。此外，傳統(tǒng)的總線開關(guān)還需要ESD保護(hù)二極管，從而會(huì)進(jìn)一步降低帶寬、增加系統(tǒng)成本。

 

DDC開關(guān)

MAX4885E同樣采用DDC開關(guān)，利用一對(duì)SPDT n溝道FET切換SDA和SCL信號(hào)。通過控制開關(guān)輸出，系統(tǒng)僅連接到使用的監(jiān)視器。由于某一時(shí)刻僅連接一臺(tái)設(shè)備，開關(guān)輸出進(jìn)一步降低了DDC電路的電容。另外，所有輸出端具有±15kV (HBM) ESD保護(hù)，省去了額外的ESD保護(hù)二極管。FET柵極切換至VL電平，該電壓與GPU的I/O電壓(2.5V至3.3V)相同。DDC信號(hào)實(shí)際為I²C信號(hào)，在開關(guān)兩側(cè)需要上拉電阻。連接至監(jiān)視器的信號(hào)可能高達(dá)5.5V，需要對(duì)GPU進(jìn)行保護(hù)和電平轉(zhuǎn)換。通過將FET柵極偏置到與GPU相同的電壓，F(xiàn)ET能夠在信號(hào)超出VL電平時(shí)為GPU提供有效保護(hù)¹。采用兩個(gè)SPDT n溝道FET，GPU僅有一個(gè)容性負(fù)載，可以避免高壓和ESD沖擊時(shí)造成損壞。

 

行同步和場(chǎng)同步電平轉(zhuǎn)換和緩沖

GPU的行同步和場(chǎng)同步電信號(hào)需要轉(zhuǎn)換成TTL電平信號(hào)。監(jiān)視器的上拉能夠把這些信號(hào)拉至+5.5V。MAX4885E有一對(duì)電平轉(zhuǎn)換緩沖器，接收0.8V至2V的信號(hào)，然后轉(zhuǎn)換成TTL輸出；器件能夠提供±8mA電流驅(qū)動(dòng)，滿足VESA規(guī)范。輸出以5V為參考，不存在電壓兼容問題。行、場(chǎng)輸出具有±15kV (HBM) ESD保護(hù)，不需要額外的ESD保護(hù)二極管。

 

集成LC濾波器用于諧波穩(wěn)定

MAX4885E在微小的4mm × 4mm TQFN封裝內(nèi)集成了開關(guān)、FET、緩沖器，用于切換VGA信號(hào)。然而，許多系統(tǒng)需要限制帶寬的濾波器，以濾除諧波、降低輻射。MAX4885E沒有包含這樣的濾波器。無源元件體積過大，有源濾波器則消耗相當(dāng)大的電流。如果在MAX4885E內(nèi)部集成三個(gè)運(yùn)算放大器/濾波器，所消耗的電流將會(huì)達(dá)到100mA—筆記本電腦很難接受這樣高的損耗。因此，器件內(nèi)部采用了LC濾波器，既不消耗電流，也能實(shí)現(xiàn)同樣的功能。MAX4885E在空閑模式下僅消耗低于5µA的電流，驅(qū)動(dòng)監(jiān)視器時(shí)，行、場(chǎng)同步信號(hào)緩沖器消耗幾個(gè)mA的電流。

 

高集成度減少元件數(shù)量

從表1可以看出，MAX4885E能夠替代多達(dá)14個(gè)標(biāo)準(zhǔn)器件，值得強(qiáng)調(diào)的是，MAX4885E的封裝尺寸只有16mm²。

表1. MAX4885E能夠節(jié)省的器件

	Quantity	Component	Function	Package	Size (mm²)
	1	74FST3257	R,G,B	16-TSSOP	35
	2	74LVC1G125	H,V	SC70	8
	4	2N7002	DDC	SOT23	24
	7	NUP2301	ESD	SC88	28
Total Savings	14				95

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從這里列出的MAX4885E所取代的標(biāo)準(zhǔn)、廉價(jià)的器件來看，14個(gè)標(biāo)準(zhǔn)器件需要占用95mm²的尺寸。利用一些專用的集成器件可以將器件數(shù)量減少到10個(gè)，尺寸縮減到50mm²，當(dāng)然，毫無疑問，器件成本也會(huì)提升。

MAX4885E的銷售價(jià)格低于這些器件的價(jià)格總和。因此，MAX4885E在節(jié)省電路板尺寸的同時(shí)也降低了系統(tǒng)成本。它能夠有效提高RGB開關(guān)的可靠性和高頻模擬性能。

 

應(yīng)用電路

圖1所示電路是MAX4885E在筆記本電腦塢站中的典型應(yīng)用。圖中給出了所有關(guān)鍵器件，考慮了所有ESD保護(hù)需求，只需要一個(gè)控制信號(hào)選擇塢站或內(nèi)部連接器。MAX4885E在空閑狀態(tài)下僅消耗幾個(gè)µA的電流，提供行、場(chǎng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)時(shí)消耗幾個(gè)mA的電流。


圖1. 筆記本電腦和塢站之間VGA連接應(yīng)用電路，采用MAX4885E VGA開關(guān)。分配給塢站的連接器引腳由設(shè)計(jì)人員確定，該設(shè)計(jì)僅給出了一種配置的示意圖。