低电压差分信号传输(LVDS)在汽车电子中的应用

低电压差分信号传输(LVDS)已经在众多应用中得到验证，LVDS在传送高数据率信号的同时还具有其它优势: 与低电源电压的兼容性；低功耗；低辐射；高抗干扰性；简单的布线和终端匹配。

LVDS为差分模式(图1)，这种模式固有的共模抑制能力提供了高水平的抗干扰性，由于具有较高的信噪比，信号幅度可以降低到大约100mV (图2)，允许非常高的传输速率。较低的信号摆幅还有助于降低功耗。与上述优势相比，LVDS的缺陷(每一通道需要两根连线传输信号)已经显得微不足道。 

   
图1. 基本的LVDS发送接收结构

图2. LVDS的信号强度和幅度

随着汽车内部整合的安全和辅助电子设备的增加，汽车领域对高速互连的需求急剧增长，主要集中在用于驾驶支持(电子后视镜、导航系统、泊车距离控制、超视距显示、仰视显示)的视频显示系统，车载娱乐系统(电视和DVD播放器) 等，这些应用要求高速数据传输，以满足图像传递的要求。正是这些需求的增长，带动LVDS产品在这些领域崭露头角(图3)。 


  
图3. 汽车应用的典型LVDS连接  

LVDS非常适合汽车应用。汽车内部存在众多的电磁辐射源，因此，抗干扰能力是汽车电子设计最基本的要求。另外，考虑到LVDS传输线自身的低辐射优势，对系统的其它设施几乎不产生额外干扰。LVDS传输只需要简单的电阻连接，简化了电路布局，线路连接也非常简单(采用双绞铜质电缆)。LVDS兼容于各种总线拓扑: 点到点拓扑(一个发送器，一个接收器)； 多分支拓扑(一个发送器，多个接收器)； 多点拓扑(多个发送器，多个接收器)

汽车设计中存在一个关键问题，即车体不同位置的地电位有很大差异，电位差可能达到几伏特。直流耦合接口配置下，这样的电位差会很快中断数据传输。这个问题可以通过电容耦合传输信号解决，前提是信号传输中不会对电容在同一个方向长时间充电。

而实际应用无法排除这种同一方向长时间充电的可能性，比如，在传输长串的连续1信号时。MAX9213/9214 (图4)利用“直流平衡”技术避免了上述问题，这类器件监控它的传输数据，当显示有过长的连续1或0信号时，芯片会在发送数据前将数据翻转，接收器可以很容易地通过翻转信号重建原始信号。这些操作消除了长串连续1或连续0信号，降低电容充电的影响，从而有效解决地电位偏差问题。 


   
图4. 两芯片传输方案，结合了收发功能和串行-解串功能

从图3可以看出另外一个潜在问题：众多的系统互连意味着大量的电缆连线，而在原有的汽车设计中电缆(线束)连接已经非常拥挤，为了解决这一问题，需要区分不同数据传输的要求，并非所有连接都要求特别高的速率，Maxim推出的MAX9217/9218可以通过一对儿双绞线提供高达700Mbps数据速率()。以这个容量可以毫不费力地连接480 x 800分辨率的显示器。 


   
图5. 交流耦合串行器和解串器的功能框图

为了进一步优化电磁辐射特性，Maxim的芯片还将并行数据显示过程中的所有切换操作都同步到时钟频率上，这个频率可以在3MHz到35MHz范围调节(对于一个既定应用，采用所允许的最低时钟频率以最小化电磁辐射)。另外，通过降低数据流本身引起的开关量，包括特殊的编码和串行输出的共模滤波，也有助于改善电磁兼容性。光纤接口也可以改善EMI，但这种方案存在其它问题，而且价格昂贵。

LVDS器件必须具有较高的ESD保护，特别是输入、输出引脚，这也是汽车工业非常普遍的要求。这些引脚必需能够承受IEC 61000-4-2规定的±15kV气隙放电、±8kV接触放电，或者是ISO 10605规定的±25kV气隙放电、±8kV接触防电。

综上所述，无论是现在还是将来，LVDS接口都是汽车应用中连接板级系统的极好选择。 为了达到这一目标，Maxim基于第一代LVDS产品的测试以及应用中取得的经验，开发出了日益完善的芯片，在近几年内，这些芯片必将成为汽车总线系统设计中LVDS连接方案的主导产品。