能夠?qū)崿F(xiàn)電能的回收和利用的CoolHD技術(shù)

　　什么是CoolHD技術(shù)?

　　隨著新型消費(fèi)類電子設(shè)備的不斷增多，我們對(duì)能源的需求也在日益增加。很多國家開始對(duì)設(shè)備能源消耗做出規(guī)定，而能源的回收和利用也成為一個(gè)現(xiàn)實(shí)而獨(dú)特的解決方案。硅谷數(shù)模半導(dǎo)體是CoolHD技術(shù)的研發(fā)者和推廣者。該技術(shù)能夠回收被浪費(fèi)的電能，使其被重新利用來為芯片供電。這意味著CoolHD技術(shù)在將高清多媒體內(nèi)容顯示到數(shù)字電視時(shí)，不需要從便攜設(shè)備電池中攝取電能，即實(shí)現(xiàn)了零功耗。在這一過程中，這一獨(dú)特技術(shù)能夠延長便攜設(shè)備電池壽命，增長設(shè)備續(xù)航時(shí)間，減少充電次數(shù)，因此提高設(shè)備了使用效率，為終端用戶帶來更長時(shí)間和更好的使用效果。

　　從基本的連接原理談起 想要完全了解CoolHD技術(shù)與其優(yōu)勢(shì)，我們需要先明白兩個(gè)音視頻設(shè)備之間的基本電子連接原理。除了無線設(shè)備，任何兩個(gè)音視頻設(shè)備之間的連接需要通過線纜來傳輸多媒體數(shù)據(jù)，這個(gè)線纜連接被稱為“DC Couple”(直流耦合)或“AC Couple”(交流耦合)。對(duì)多媒體連接來說，音視頻設(shè)備負(fù)責(zé)輸出數(shù)據(jù)的是“源端”或“發(fā)送端”，而接收數(shù)據(jù)設(shè)備則是“終端”或“接收端”。

　　圖1 – 源端與終端之間的直流耦合連接

　　在直流耦合連接中(見圖1)，源端與終端音視頻設(shè)備的線纜連接中沒有無源元件阻擋DC電流。圖中的晶體管直流耦合連接未顯示半導(dǎo)體設(shè)備兩端其他的驅(qū)動(dòng)晶體管。接收端的終端電阻提供兩端所需的上拉電壓。源端設(shè)備在連接中與終端設(shè)備溝通需要其自己的電源。同樣，終端設(shè)備接收源端設(shè)備出來的數(shù)據(jù)也需要其自己的電源。這樣，電流在線纜中直接流通使得兩個(gè)音視頻設(shè)備傳輸所需數(shù)據(jù)。最重要的是在直流耦合連接兩端的晶體管需要能夠承受并轉(zhuǎn)換到同樣的電壓。

　　圖2 – 源端與終端之間的交流耦合連接

　　在交流耦合連接中(如圖2)，兩個(gè)音視頻設(shè)備之間使用的是電容耦合。電容器阻擋直流電流通過兩個(gè)設(shè)備，只允許交流電流通過。這樣，設(shè)備一端的變動(dòng)率傳到另外一端，同時(shí)阻礙電流直接通過。不像直流耦合連接，交流耦合連接兩端的晶體管不需要有同樣的電壓。

　　因此，交流耦合能夠使集成電路設(shè)備在不同電壓下工作，有助推進(jìn)集成電路設(shè)備向深亞微型技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。另外，深亞微米技術(shù)中為減少功耗而降低了集成電路設(shè)備電壓。電子設(shè)備業(yè)內(nèi)為能夠提高功能的兼容性和集成度同時(shí)降低成本，通常會(huì)研發(fā)SoC。所以，深亞微型技術(shù)在提高集成度的同時(shí)也降低功耗。與此同時(shí)，集成電路設(shè)備是不同的工藝生產(chǎn)的，因此，互相之間會(huì)有電壓差異。交流耦合連接能夠驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)在不同電壓的兩個(gè)集成電路設(shè)備中傳輸。兩端可以互相溝通其電壓變動(dòng)率定義。但不管是直流耦合還是交流耦合，音視頻設(shè)備在互相溝通傳輸數(shù)據(jù)的過程中，終端和源端都在不停的消耗電能。

　　高清互聯(lián)互通的需求日益增大 HDMI主要是為能夠直接插到墻上電源上取電的消費(fèi)類電子設(shè)備而設(shè)計(jì)的。雖然芯片制造商們一直想提高SoC的功能集成度，而降低功耗對(duì)他們來說并不重要。在過去幾年里便攜式多媒體設(shè)備和超智能手機(jī)陸續(xù)問世，它們的處理能力接近普通計(jì)算機(jī)，但它們的小體積和小屏幕成為提供更好用戶體驗(yàn)的路障。自高清電視的推出，消費(fèi)者已經(jīng)非常適應(yīng)在大屏幕上欣賞高清內(nèi)容。便攜式產(chǎn)品集成高清內(nèi)容處理能力帶動(dòng)了將這些小型設(shè)備與大型高清顯示器連接的需求。

　　硅谷數(shù)模(Analogix)有著雄厚的數(shù)模混合信號(hào)設(shè)計(jì)和HDMI標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)的積累，研發(fā)了獨(dú)特的電能回收利用執(zhí)行構(gòu)架。HDMI技術(shù)在兩音視頻設(shè)備的直流耦合連接這一原理上運(yùn)行。也就是說，源端或發(fā)送器負(fù)責(zé)輸出高清內(nèi)容至終端或接收器。硅谷數(shù)模成功研發(fā)了一種創(chuàng)新的直流耦合連接執(zhí)行方式，該技術(shù)能夠回收源端中浪費(fèi)掉的電能，然后重新加以利用，使得源端無需外接電源。這一技術(shù)被稱為CoolHD技術(shù)。

　　CoolHD技術(shù)實(shí)現(xiàn)電能的回收和利用 往往復(fù)雜的技術(shù)實(shí)施方式可以用很簡單的語言來描述，而在下一代集成電路計(jì)設(shè)計(jì)模式中，這些簡單的描述方式可幫助我們改變其設(shè)計(jì)規(guī)范。為了不過于復(fù)雜化本文，我們無需完全了解HDMI技術(shù)，只需要探討一個(gè)系統(tǒng)中兩集成電路設(shè)備通過一條線纜連接的直流耦合連接。

　　圖3 – CoolHD技術(shù)實(shí)施構(gòu)架框圖

　　CoolHD技術(shù)的實(shí)現(xiàn)過程如圖3所示，該技術(shù)正在申請(qǐng)專利。在直流耦合連接中，源端(發(fā)送器)和終端(接收器)通過線纜連接，連接中到終端的電能大多變成熱量在終端和連接中散失，并最終通過連接到地被浪費(fèi)掉。

　　在圖3中，CoolHD發(fā)送器通過線纜與標(biāo)準(zhǔn)接收器以直流耦合方式連接。圖中紅線區(qū)域中顯示源驅(qū)動(dòng)器到地連接中加入了CoolHD電路。這些CoolHD電路負(fù)責(zé)在發(fā)送器中回收和重新利用電能。啟動(dòng)電路使用非常小的電流來產(chǎn)生偏壓(見圖3中的G1與G2)。低壓降電壓調(diào)節(jié)器負(fù)責(zé)提供不同電壓至源端或終端IC設(shè)備。因此只要線纜連接著接收器，這種電能的回收和重新利用就會(huì)繼續(xù)。

　　這一技術(shù)的創(chuàng)新之處在于源端無需上游供電來工作，源端設(shè)備與終端相連接就可以為自己供電。只要源端從上游得到內(nèi)容就會(huì)傳輸給其下游的終端，這樣源端與終端之間的數(shù)據(jù)傳輸就總在繼續(xù)。當(dāng)終端斷電時(shí)，也就是終端不需要從上游得到有效載荷，源端將還原到初始狀態(tài)。

　　CoolHD技術(shù)能為便攜設(shè)備帶來什么?

　　將CoolHD的技術(shù)優(yōu)勢(shì)正確完全的描述很重要。在硅谷數(shù)模的實(shí)驗(yàn)室中，工程師們測量了一款市場中熱賣的一流高清便攜設(shè)備的功耗。這一款便攜設(shè)備中集成了應(yīng)用處理器，能夠處理并輸出從VGA到Full-HD(1,080p)的分辨率。我們?cè)跍y試中將一個(gè)同樣的應(yīng)用處理器中集成了普通HDMI發(fā)送器，并在另外一個(gè)相同的應(yīng)用處理器中集成了硅谷數(shù)模的CoolHD HDMI發(fā)送器。工程師們同時(shí)測試著兩個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備來充分理解CoolHD技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

　　一個(gè)屏幕的顯示功能被定義為一定的豎直列和水平行數(shù)量在一定的刷新率刷新。例如，發(fā)送器在60Hz發(fā)送VGA分辨率。VGA要求有640個(gè)直行和480個(gè)水平行。為達(dá)到60Hz的刷新率，每畫面每秒要刷新60次。640個(gè)豎直列和480個(gè)水平行縱橫在一起就成為640 x 480的矩陣，矩陣上每個(gè)組成元素就是一個(gè)屏幕上的像素。每個(gè)像素最基本的色深是紅、綠和藍(lán)色。每個(gè)像素的基本色彩被一系列的數(shù)字比特驅(qū)動(dòng)，呈現(xiàn)為屏幕上所顯現(xiàn)的像素顏色。像素時(shí)鐘負(fù)責(zé)控制晶體管電路組的開和關(guān)，從而控制像素在屏幕上的顯示。因此更高的分辨率意味著更高的像素。也就是說為達(dá)到更高的分辨率有更多的像素要被像素時(shí)鐘控制。

　　圖4 – 手持設(shè)備應(yīng)用處理器中普通HDMI和CoolHD? HDMI源端功耗對(duì)比

　　圖4中顯示了不同分辨率的像素時(shí)鐘頻率，從VGA到Full-HD。工程師們測試了應(yīng)用處理器本身的功耗，應(yīng)用處理器集成普通HDMI發(fā)送器后的功耗，和應(yīng)用處理器集成CoolHD HDMI發(fā)送器后的功耗。應(yīng)用處理器自身功耗是在輸出最低分辨率(如VGA)時(shí)記錄的，在測試中成為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。其他功耗數(shù)據(jù)除以基礎(chǔ)數(shù)據(jù)得到了最終圖中使用的“功耗指數(shù)”。

　　從圖4中可見功耗與視頻像素時(shí)鐘頻率有直接關(guān)系。當(dāng)顯示的分辨率增加，像素也自然需要增加來支持，同樣，在不斷顯示畫面時(shí)，像素時(shí)鐘頻率必須增加來處理一個(gè)時(shí)間段中更高的像素。這樣提高分辨率自然就增加了應(yīng)用處理器的功耗。高清多媒體內(nèi)容需要通過HDMI連接來傳輸，而普通HDMI發(fā)送器會(huì)增加應(yīng)用處理器的功耗。一般情況下，HDMI像素時(shí)鐘頻率是原始視頻像素時(shí)鐘頻率的10倍。我們的測試顯示應(yīng)用處理器集成了HDMI后的功耗，是應(yīng)用處理器單獨(dú)工作功耗的1.45倍。但集成了硅谷數(shù)模CoolHD HDMI發(fā)送器的應(yīng)用處理器的功耗與應(yīng)用處理器單獨(dú)工作功耗一致，并未添加更多的功耗。因此清楚可見CoolHD HDMI發(fā)送器在輸出高清數(shù)據(jù)時(shí)沒有使用外接電源。