能够进行电能回收再利用的CoolHD技术

当今社会，最新最棒的科学技术层出不穷。自数字电视问世以来，HDMI标准凭藉为大屏幕HD显示器服务的本领，在该领域牢牢扎根。如今，蓝光技术、等离子、LCD和LED电视，还有新推出的3D显示技术再一次将多媒体消费产品推上了新台阶。

    现在市场中大多数便携设备还不能处理和播放高清内容至大屏幕上。但超级智能手机、带最新应用处理器的Tablet和各种高清多媒体应用等新型手持设备的推出，却带动了新的多媒体消费类产品模式。如今的终端用户已经习惯在大屏幕上观看高清内容，故在便携式设备中集成高清处理功能，使消费者能够享受在大屏幕上观赏高清内容成为“必备”而不是“可有可无”的一项功能。但实现这一功能需要三个必要条件：支持高清的便携设备、播放高清内容的应用程序，以及将便携设备与大屏幕相连的选项。而在便携设备中添加诸多新功能的过程复杂而且昂贵，就算在复杂的技术方面实现突破，新功能对手持设备的电能消耗会也成为很大问题。通常便携设备的重量和其他因素会限制电池的体积，而更佳的观看效果只能在牺牲电池续航时间的情况下实现。
    什么是CoolHD技术？
    随着新型消费类电子设备的不断增多，我们对能源的需求也在日益增加。很多国家开始对设备能源消耗做出规定，而能源的回收和利用也成为一个现实而独特的解决方案。硅谷数模半导体是CoolHD技术的研发者和推广者。该技术能够回收被浪费的电能，使其被重新利用来为芯片供电。这意味着CoolHD技术在将高清多媒体内容显示到数字电视时，不需要从便携设备电池中摄取电能，即实现了零功耗。在这一过程中，这一独特技术能够延长便携设备电池寿命，增长设备续航时间，减少充电次数，因此提高设备了使用效率，为终端用户带来更长时间和更好的使用效果。
    从基本的连接原理谈起想要完全了解CoolHD技术与其优势，我们需要先明白两个音视频设备之间的基本电子连接原理。除了无线设备，任何两个音视频设备之间的连接需要通过线缆来传输多媒体数据，这个线缆连接被称为“DC Couple”(直流耦合)或“AC Couple”(交流耦合)。对多媒体连接来说，音视频设备负责输出数据的是“源端”或“发送端”，而接收数据设备则是“终端”或“接收端”。
  
      
    图1 – 源端与终端之间的直流耦合连接
    在直流耦合连接中(见图1)，源端与终端音视频设备的线缆连接中没有无源元件阻挡DC电流。图中的晶体管直流耦合连接未显示半导体设备两端其他的驱动晶体管。接收端的终端电阻提供两端所需的上拉电压。源端设备在连接中与终端设备沟通需要其自己的电源。同样，终端设备接收源端设备出来的数据也需要其自己的电源。这样，电流在线缆中直接流通使得两个音视频设备传输所需数据。最重要的是在直流耦合连接两端的晶体管需要能够承受并转换到同样的电压。
  
      
    图2 – 源端与终端之间的交流耦合连接
    在交流耦合连接中(如图2)，两个音视频设备之间使用的是电容耦合。电容器阻挡直流电流通过两个设备，只允许交流电流通过。这样，设备一端的变动率传到另外一端，同时阻碍电流直接通过。不像直流耦合连接，交流耦合连接两端的晶体管不需要有同样的电压。
    因此，交流耦合能够使集成电路设备在不同电压下工作，有助推进集成电路设备向深亚微型技术发展的趋势。另外，深亚微米技术中为减少功耗而降低了集成电路设备电压。电子设备业内为能够提高功能的兼容性和集成度同时降低成本，通常会研发SoC。所以，深亚微型技术在提高集成度的同时也降低功耗。与此同时，集成电路设备是不同的工艺生产的，因此，互相之间会有电压差异。交流耦合连接能够驱动数据在不同电压的两个集成电路设备中传输。两端可以互相沟通其电压变动率定义。但不管是直流耦合还是交流耦合，音视频设备在互相沟通传输数据的过程中，终端和源端都在不停的消耗电能。
    高清互联互通的需求日益增大HDMI主要是为能够直接插到墙上电源上取电的消费类电子设备而设计的。虽然芯片制造商们一直想提高SoC的功能集成度，而降低功耗对他们来说并不重要。在过去几年里便携式多媒体设备和超智能手机陆续问世，它们的处理能力接近普通计算机，但它们的小体积和小屏幕成为提供更好用户体验的路障。自高清电视的推出，消费者已经非常适应在大屏幕上欣赏高清内容。便携式产品集成高清内容处理能力带动了将这些小型设备与大型高清显示器连接的需求。
    硅谷数模(Analogix)有着雄厚的数模混合信号设计和HDMI标准技术的积累，研发了独特的电能回收利用执行构架。HDMI技术在两音视频设备的直流耦合连接这一原理上运行。也就是说，源端或发送器负责输出高清内容至终端或接收器。硅谷数模成功研发了一种创新的直流耦合连接执行方式，该技术能够回收源端中浪费掉的电能，然后重新加以利用，使得源端无需外接电源。这一技术被称为CoolHD技术。
    CoolHD技术实现电能的回收和利用往往复杂的技术实施方式可以用很简单的语言来描述，而在下一代集成电路计设计模式中，这些简单的描述方式可帮助我们改变其设计规范。为了不过于复杂化本文，我们无需完全了解HDMI技术，只需要探讨一个系统中两集成电路设备通过一条线缆连接的直流耦合连接。
  
      
    图3 – CoolHD技术实施构架框图
CoolHD技术的实现过程如图3所示，该技术正在申请专利。在直流耦合连接中，源端(发送器)和终端(接收器)通过线缆连接，连接中到终端的电能大多变成热量在终端和连接中散失，并最终通过连接到地被浪费掉。

    在图3中，CoolHD发送器通过线缆与标准接收器以直流耦合方式连接。图中红线区域中显示源驱动器到地连接中加入了CoolHD电路。这些CoolHD电路负责在发送器中回收和重新利用电能。启动电路使用非常小的电流来产生偏压(见图3中的G1与G2)。低压降电压调节器负责提供不同电压至源端或终端IC设备。因此只要线缆连接着接收器，这种电能的回收和重新利用就会继续。
    这一技术的创新之处在于源端无需上游供电来工作，源端设备与终端相连接就可以为自己供电。只要源端从上游得到内容就会传输给其下游的终端，这样源端与终端之间的数据传输就总在继续。当终端断电时，也就是终端不需要从上游得到有效载荷，源端将还原到初始状态。
    CoolHD技术能为便携设备带来什么？
    将CoolHD的技术优势正确完全的描述很重要。在硅谷数模的实验室中，工程师们测量了一款市场中热卖的一流高清便携设备的功耗。这一款便携设备中集成了应用处理器，能够处理并输出从VGA到Full-HD(1,080p)的分辨率。我们在测试中将一个同样的应用处理器中集成了普通HDMI发送器，并在另外一个相同的应用处理器中集成了硅谷数模的CoolHD HDMI发送器。工程师们同时测试着两个实验设备来充分理解CoolHD技术的优势。
    一个屏幕的显示功能被定义为一定的竖直列和水平行数量在一定的刷新率刷新。例如，发送器在60Hz发送VGA分辨率。VGA要求有640个直行和480个水平行。为达到60Hz的刷新率，每画面每秒要刷新60次。640个竖直列和480个水平行纵横在一起就成为640 x 480的矩阵，矩阵上每个组成元素就是一个屏幕上的像素。每个像素最基本的色深是红、绿和蓝色。每个像素的基本色彩被一系列的数字比特驱动，呈现为屏幕上所显现的像素颜色。像素时钟负责控制晶体管电路组的开和关，从而控制像素在屏幕上的显示。因此更高的分辨率意味着更高的像素。也就是说为达到更高的分辨率有更多的像素要被像素时钟控制。
  
      
    图4 – 手持设备应用处理器中普通HDMI和CoolHD? HDMI源端功耗对比
    图4中显示了不同分辨率的像素时钟频率，从VGA到Full-HD。工程师们测试了应用处理器本身的功耗，应用处理器集成普通HDMI发送器后的功耗，和应用处理器集成CoolHD HDMI发送器后的功耗。应用处理器自身功耗是在输出最低分辨率(如VGA)时记录的，在测试中成为基础数据。其他功耗数据除以基础数据得到了最终图中使用的“功耗指数”。
    从图4中可见功耗与视频像素时钟频率有直接关系。当显示的分辨率增加，像素也自然需要增加来支持，同样，在不断显示画面时，像素时钟频率必须增加来处理一个时间段中更高的像素。这样提高分辨率自然就增加了应用处理器的功耗。高清多媒体内容需要通过HDMI连接来传输，而普通HDMI发送器会增加应用处理器的功耗。一般情况下，HDMI像素时钟频率是原始视频像素时钟频率的10倍。我们的测试显示应用处理器集成了HDMI后的功耗，是应用处理器单独工作功耗的1.45倍。但集成了硅谷数模CoolHD HDMI发送器的应用处理器的功耗与应用处理器单独工作功耗一致，并未添加更多的功耗。因此清楚可见CoolHD HDMI发送器在输出高清数据时没有使用外接电源。