超高清智能数字电视主板设计

2018-11-14冠捷显示科技厦门有限公司苏晓霞

电子世界 2018年20期

冠捷显示科技（厦门）有限公司苏晓霞

本文介绍了基于海思Hi3751 V553芯片为核心的超高清智能数字电视的主板电路设计，并重点介绍了该电视方案的设计亮点。

引言：随着电子科技日新月异的发展，传统的电视已经越来越无法满足消费者的感官与娱乐需求，经历了漫长的“模拟电视功能完善期”后，电视行业迎来多元化的快速发展。一时间，高清电视，超高清（4K2K）电视，数字电视，智能电视……各种新功能如雨后春笋般层出不穷。

海思V553是一颗具有中国自主知识产权的多功能电视芯片，两核64位CPU，五核GPU，内置1GB DDR, DTMB数字信号解调器，支持全制式模拟信号解调，支持4K2K输出，是一个集成度与性价比都较高的中高端电视方案。

一、主板电路设计

图1 主板功能模块

1.接口模块

1）TV信号输入x1,可支持模拟电视信号（PAL D/K,NTSC-M制式）与DTMB数字电视信号。设计采用Rafael公司的R842 数模一体的高频调谐器，将RF射频调制信号转为6.5MHz的中频信号输出。

2）音视频输入（AV）接口x1，采用标准的RCA黄红白接口。

3）HDMI接口x3，符合HDMI1.4/2.0标准，可同时连接三路高清设备，如高清机顶盒或DVD等多媒体播放器，避免在多个设备使用切换时，频繁做信号线插拔动作。

4）USB接口x2，支持多种音视频解码协议，让用户自由观赏各种格式的视频，音频，图片文件。

5）网络接口x1，支持多种网络播放协议，包括：http，https，rtsp，mms，rtmp，hls等，用于有线网络连接，分享网络上的海量内容与应用软件。

6）同轴数字音频输出x1，标准RCA接口，可用于连接外置功放，构建家庭影院，纵享高品质音效。

2.系统模块

1）主芯片采用海思公司的Hi3751V553，由于DDR内置，该IC没有使用BGA封装，而是采用216 pin的QFP封装，这样就使得PCB板的设计更小型化，可降低材料成本；主板设计采用单面贴件的制程，可提升生产效率，降低人工成本。V553内置1GB DDR颗粒，支持SPI NAND Flash，支持EMMC Flash。在视频接口上支持YPbPr兼容RGB接口x1，支持模拟CVBS输入x1，CVBS输出x1，HDMI输入x3；音频接口上支持立体声输入x2，立体声输出x2， I2S输出x1，外围接口支持USB2.0 Host接口x2，USB3.0接口x1，10M/100M自适应网口x1，IR接收处理器x1，ADC输入x2，UART接口x2，多路IIC接口，多组GPIO接口，多个PWM接口，内部集成上电复位模块。总的来说，虽然芯片pin脚的数量受限于QFP封装，却在各功能间配置合理，在方案设计时非常便利。

2）Flash存储器采用三星公司的KLM8G1GETF-B041 EMMC FLASH，存储容量8GB ，用于存储软体程式，电视设定及用户软件安装。相较于之前使用的NAND Flash，EMMC将管理闪存的控制器集成在Flash端，读写数据更准确更灵活。

3）WIFI模块采用高盛达公司2T2R单频WIFI模组 W82R2510，W82R2510是基于瑞昱RTL8192EU芯片符合IEEE 802.11n标准的USB模块，向下兼容IEEE802.11b/g标准，可应用于组建速率高达IEEE 802.11b 11Mbps、IEEE 802.11g 54Mbps、IEEE802.11n 300Mbps的无线局域网。

4）按键设计为5键输入，得益于V553主IC的高精度ADC模块，只占用了一组ADC输入接口。

5）遥控设计为红外接收方式，采用威世公司的红外接收头，载波频率36kHz，更具noise滤除功能，提高抗干扰能力，避免由于环境或光线变化等产生干扰，对遥控指令误识别的状况。

3.声音模块

主芯片V553具有强大的声音处理功能，支持音频采样率转化，支持音量、均衡、静音控制，支持虚拟立体声/环绕声，低音增强，支持对白增强和智能音量，支持环绕音声音处理，因此在声音解调及AQ的处理部分全部交由主芯片来做。

在主板上声音功放采用了ESMT公司的AD52580，这是一颗模拟输入的D类Audio功放IC，28pin 的SOP封装，通过IC pin脚的电平选择，可实现所有功能设置，设计使用非常方便。

1）4档增益控制设定，可通过GAIN0/GAIN1 2个pin脚的电平高低组合，设定4档的功放增益20/26/32/36 DB。

2）输出限制功能，可通过调整外接分压电阻，设定功放芯片PLIMIT pin脚的电压，从而设定输出功率限定值，当输入信号过大时，功放会自动将输出功率限制，以保护后端喇叭不被烧坏。这是一个非常有用的功能，如果用户使用时输入音频信号的幅度过大，通过功放增益后，使电视扬声器持续工作在高功率输出的状态，很容易造成损坏，如果限制了功放输出，可以有效保护电视的扬声器。

3）报错功能，该功放有多重保护模式:过压保护，过流保护，高温保护，短路保护，当功放侦测到需要启动保护时，FAULT pin会变成低电平状态，只要我们把此pin连接在功放的Shut down pin上，就能及时关闭功放，保护其不被损坏。而当异常条件消失时，功放就可以自动恢复工作状态。

二、设计亮点

1.STR功能设计

传统的电视，主控是颗非常简单的MCU，开机做一些初始化动作就可以正常运行了，所以开机速度非常快。而现在的智能电视搭载了安卓操作系统，随着系统越来越复杂，开机变得越来越慢，用户体验感非常差，为了提升开机速度，采用了STR功能设计。

STR（Suspend to RAM）的原理，就是将电视从待机状态唤醒并恢复到此前的运行状态，关键是将待机前的软硬件环境完整的恢复。在一个典型的电视系统中，包括电源、时钟、CPU、业务逻辑、存储设备、外设等部分。要保存系统的运行环境，需要将相关信息保存在DDR中，这种模式要求DDR芯片不能掉电，通过进入“自刷新”模式降低功耗。在自刷新方式下，DDR禁止时钟使能信号CKE之外的所有的内部时钟和输入缓冲。刷新地址和刷新时间全部由器件内部产生，以此来降低功耗。一旦进入自刷新方式只有通过CKE变低才能激活，其他的任何输入都将不起作用，在自刷新状态下，DDR只能维持数据不丢失，但不支持读写操作。DDR自刷新待机需要操作系统支持Suspend to RAM 功能，在这种模式下，操作系统会将所有用户态进程冻结，各个驱动模块在待机前将信息保存在内存中并关闭模块功能，最后CPU会将上下文（CPU自身的寄存器）保存在内存中并启动MCU，整个系统进入到低功耗状态。在收到唤醒指令后，MCU会将CPU启动并恢复上下文，随后各个驱动模块和用户态进程还原到待机前的状态，整个系统完成待机唤醒。STR功能的实现，需要软件，硬件和芯片的相互配合。

在硬件上，DDR的供电电源必须保证在待机模式下不能断电，才能使DDR可以保存待机前数据，来迅速唤醒恢复。同时又要考量到待机模式整机功耗小于0.5W的法规要求，所以选用了DC/DC IC SY8079AAC，将5V转化为DDR3所需的1.5V，既能满足STR功能的要求，又能提升电源转化效率，降低待机功耗。

2.电源动态调压技术

电源动态调压技术是根据运行场景的不同，动态设置不同的频率和电压水平来满足当前的电路时序和性能要求。其最大的特点是能根据运行不同业务CPU占用率的多少，快速切换到不同的电压和主频，保证最经济功耗运行。能够保证在芯片性能不变的情况下，降低芯片运行时的功耗，根据预先设定的算法，通过软件控制外部DC/DC，动态调节CPU、GPU、CORE的电压，从而达到降低主芯片平均功耗的效果。

动态调压的实现需要通过DC/DC的反馈电压来调节。为了满足芯片供电的瞬态响应，需要选定DC/DC输出频率尽量高的物料，至少满足工作频率在500KHz以上的物料。DC/DC反馈电阻的选取，对于系统的稳定性影响极大，所以必须选用误差为1%的精密电阻，以降低输出电压的误差。同时，最终电压是否符合软件要求，需要测试每一档电压值（注意测试芯片管脚端）是否与寄存器设置一样。一般建议实测值大于设置值10～20mV，以防止在高低温下实际电压偏低，造成重启等异常。