筆記本電腦VGA信號切換參考設(shè)計
摘要：本文介紹了一種利用MAX4885E低電容VGA開關(guān)實現(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，設(shè)計人員可以省去大量的ESD保護元件，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信號的應(yīng)用電路。
概述
自1987年IBM研制出PC機以來，模擬VGA信號就一直是PC機的一部分?，F(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)字標準能夠完全替代筆記本電腦通用的藍色VGA連接器之前，對于VGA支持的需求還會延續(xù)很多年。Maxim推出的MAX4885E低電容VGA開關(guān)即是針對這種切換功能而設(shè)計的。
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，設(shè)計人員可以省去大量的ESD保護元件，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負載下，具有大于900MHz的帶寬；在視頻系統(tǒng)通用的75Ω負載下，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保護二極管，從而會進一步降低帶寬、增加系統(tǒng)成本。
DDC開關(guān)
MAX4885E同樣采用DDC開關(guān)，利用一對SPDT n溝道FET切換SDA和SCL信號。通過控制開關(guān)輸出，系統(tǒng)僅連接到使用的監(jiān)視器。由于某一時刻僅連接一臺設(shè)備，開關(guān)輸出進一步降低了DDC電路的電容。另外，所有輸出端具有±15kV (HBM) ESD保護，省去了額外的ESD保護二極管。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信號實際為I²C信號，在開關(guān)兩側(cè)需要上拉電阻。連接至監(jiān)視器的信號可能高達5.5V，需要對GPU進行保護和電平轉(zhuǎn)換。通過將FET柵極偏置到與GPU相同的電壓，F(xiàn)ET能夠在信號超出VL電平時為GPU提供有效保護¹。采用兩個SPDT n溝道FET，GPU僅有一個容性負載，可以避免高壓和ESD沖擊時造成損壞。
行同步和場同步電平轉(zhuǎn)換和緩沖
GPU的行同步和場同步電信號需要轉(zhuǎn)換成TTL電平信號。監(jiān)視器的上拉能夠把這些信號拉至+5.5V。MAX4885E有一對電平轉(zhuǎn)換緩沖器，接收0.8V至2V的信號，然后轉(zhuǎn)換成TTL輸出；器件能夠提供±8mA電流驅(qū)動，滿足VESA規(guī)范。輸出以5V為參考，不存在電壓兼容問題。行、場輸出具有±15kV (HBM) ESD保護，不需要額外的ESD保護二極管。
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。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大的電流。如果在MAX4885E內(nèi)部集成三個運算放大器/濾波器，所消耗的電流將會達到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)動監(jiān)視器時，行、場同步信號緩沖器消耗幾個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14個標準器件，值得強調(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 |
從這里列出的MAX4885E所取代的標準、廉價的器件來看，14個標準器件需要占用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，尺寸縮減到50mm²，當然，毫無疑問，器件成本也會提升。
MAX4885E的銷售價格低于這些器件的價格總和。因此，MAX4885E在節(jié)省電路板尺寸的同時也降低了系統(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保護需求，只需要一個控制信號選擇塢站或內(nèi)部連接器。MAX4885E在空閑狀態(tài)下僅消耗幾個µA的電流，提供行、場信號驅(qū)動時消耗幾個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)計人員確定，該設(shè)計僅給出了一種配置的示意圖。
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