笔记本电脑VGA信号切换参考设计

笔记本电脑VGA信号切换参考设计

摘要：本文介绍了一种利用MAX4885E低电容VGA开关实现笔记本电脑视频切换的解决方案。MAX4885E的电流损耗近乎为零，集成在4mm × 4mm封装内，器件包含了分立方案所需的绝大部分开关和有源元件。所有输出端具有±15kV人体模式(HBM) ESD保护，设计人员可以省去大量的ESD保护元件，从而降低了成本、节省了电路板空间。本文给出了MAX4885E在笔记本电脑和坞站之间用于切换VGA信号的应用电路。

概述

自1987年IBM研制出PC机以来，模拟VGA信号就一直是PC机的一部分。现在，大部分商用笔记本电脑需要与坞站和投影仪配合使用。几乎所有投影仪都具有一个VGA端口，这是连接笔记本电脑最常用的方式。虽然DVI™和HDMI™等数字连接方式不断涌现，大部分投影仪仍然仅支持VGA。

在数字标准能够完全替代笔记本电脑通用的蓝色VGA连接器之前，对于VGA支持的需求还会延续很多年。Maxim推出的MAX4885E低电容VGA开关即是针对这种切换功能而设计的。

MAX4885E的电流损耗近乎为零，集成在4mm × 4mm封装内，器件包含了分立方案所需的绝大部分开关和有源元件。所有输出端具有±15kV HBM (人体模式) ESD保护，设计人员可以省去大量的ESD保护元件，从而降低了成本、节省了电路板空间。

MAX4885E优化用于VGA切换

RGB开关

RGB开关要求较宽频带，MAX4885E包含3路SPDT开关，50Ω负载下，具有大于900MHz的带宽；在视频系统通用的75Ω负载下，具有大于600MHz的带宽。QSXGA制式(2560 × 2048)需要大约500MHz的带宽，以保证通过三次谐波，保持波形质量。有些设计人员采用传统的具有12pF电容的“总线开关”，而MAX4885E的电容只有6pF。此外，传统的总线开关还需要ESD保护二极管，从而会进一步降低带宽、增加系统成本。

DDC开关

MAX4885E同样采用DDC开关，利用一对SPDT n沟道FET切换SDA和SCL信号。通过控制开关输出，系统仅连接到使用的监视器。由于某一时刻仅连接一台设备，开关输出进一步降低了DDC电路的电容。另外，所有输出端具有±15kV (HBM) ESD保护，省去了额外的ESD保护二极管。FET栅极切换至VL电平，该电压与GPU的I/O电压(2.5V至3.3V)相同。DDC信号实际为I²C信号，在开关两侧需要上拉电阻。连接至监视器的信号可能高达5.5V，需要对GPU进行保护和电平转换。通过将FET栅极偏置到与GPU相同的电压，FET能够在信号超出VL电平时为GPU提供有效保护¹。采用两个SPDT n沟道FET，GPU仅有一个容性负载，可以避免高压和ESD冲击时造成损坏。

行同步和场同步电平转换和缓冲

GPU的行同步和场同步电信号需要转换成TTL电平信号。监视器的上拉能够把这些信号拉至+5.5V。MAX4885E有一对电平转换缓冲器，接收0.8V至2V的信号，然后转换成TTL输出；器件能够提供±8mA电流驱动，满足VESA规范。输出以5V为参考，不存在电压兼容问题。行、场输出具有±15kV (HBM) ESD保护，不需要额外的ESD保护二极管。

集成LC滤波器用于谐波稳定

MAX4885E在微小的4mm × 4mm TQFN封装内集成了开关、FET、缓冲器，用于切换VGA信号。然而，许多系统需要限制带宽的滤波器，以滤除谐波、降低辐射。MAX4885E没有包含这样的滤波器。无源元件体积过大，有源滤波器则消耗相当大的电流。如果在MAX4885E内部集成三个运算放大器/滤波器，所消耗的电流将会达到100mA—笔记本电脑很难接受这样高的损耗。因此，器件内部采用了LC滤波器，既不消耗电流，也能实现同样的功能。MAX4885E在空闲模式下仅消耗低于5µA的电流，驱动监视器时，行、场同步信号缓冲器消耗几个mA的电流。

高集成度减少元件数量

从表1可以看出，MAX4885E能够替代多达14个标准器件，值得强调的是，MAX4885E的封装尺寸只有16mm²。

表1. MAX4885E能够节省的器件

	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

从这里列出的MAX4885E所取代的标准、廉价的器件来看，14个标准器件需要占用95mm²的尺寸。利用一些专用的集成器件可以将器件数量减少到10个，尺寸缩减到50mm²，当然，毫无疑问，器件成本也会提升。

MAX4885E的销售价格低于这些器件的价格总和。因此，MAX4885E在节省电路板尺寸的同时也降低了系统成本。它能够有效提高RGB开关的可靠性和高频模拟性能。

应用电路

图1所示电路是MAX4885E在笔记本电脑坞站中的典型应用。图中给出了所有关键器件，考虑了所有ESD保护需求，只需要一个控制信号选择坞站或内部连接器。MAX4885E在空闲状态下仅消耗几个µA的电流，提供行、场信号驱动时消耗几个mA的电流。


图1. 笔记本电脑和坞站之间VGA连接应用电路，采用MAX4885E VGA开关。分配给坞站的连接器引脚由设计人员确定，该设计仅给出了一种配置的示意图。