超高清智能數字電視主板設計

冠捷顯示科技（廈門）有限公司 蘇曉霞

本文介紹了基于海思Hi3751 V553芯片為核心的超高清智能數字電視的主板電路設計，并重點介紹了該電視方案的設計亮點。

引言：隨著電子科技日新月異的發展，傳統的電視已經越來越無法滿足消費者的感官與娛樂需求，經歷了漫長的“模擬電視功能完善期”后，電視行業迎來多元化的快速發展。一時間，高清電視，超高清（4K2K）電視，數字電視，智能電視……各種新功能如雨后春筍般層出不窮。

海思V553是一顆具有中國自主知識產權的多功能電視芯片，兩核64位CPU，五核GPU，內置1GB DDR, DTMB數字信號解調器，支持全制式模擬信號解調，支持4K2K輸出，是一個集成度與性價比都較高的中高端電視方案。

一、主板電路設計

圖1 主板功能模塊

1.接口模塊

1）TV信號輸入x1,可支持模擬電視信號（PAL D/K,NTSC-M制式）與DTMB數字電視信號。設計采用Rafael公司的R842 數模一體的高頻調諧器，將RF射頻調制信號轉為6.5MHz的中頻信號輸出。

2）音視頻輸入（AV）接口x1，采用標準的RCA黃紅白接口。

3）HDMI接口x3，符合HDMI1.4/2.0標準，可同時連接三路高清設備，如高清機頂盒或DVD等多媒體播放器，避免在多個設備使用切換時，頻繁做信號線插拔動作。

4）USB接口x2，支持多種音視頻解碼協議，讓用戶自由觀賞各種格式的視頻，音頻，圖片文件。

5）網絡接口x1，支持多種網絡播放協議，包括：http，https，rtsp，mms，rtmp，hls等，用于有線網絡連接，分享網絡上的海量內容與應用軟件。

6）同軸數字音頻輸出x1，標準RCA接口，可用于連接外置功放，構建家庭影院，縱享高品質音效。

2.系統模塊

1）主芯片采用海思公司的Hi3751V553，由于DDR內置，該IC沒有使用BGA封裝，而是采用216 pin的QFP封裝，這樣就使得PCB板的設計更小型化，可降低材料成本；主板設計采用單面貼件的制程，可提升生產效率，降低人工成本。V553內置1GB DDR顆粒，支持SPI NAND Flash，支持EMMC Flash。在視頻接口上支持YPbPr兼容RGB接口x1，支持模擬CVBS輸入x1，CVBS輸出x1，HDMI輸入x3；音頻接口上支持立體聲輸入x2，立體聲輸出x2， I2S輸出x1，外圍接口支持USB2.0 Host接口x2，USB3.0接口x1，10M/100M自適應網口x1，IR接收處理器x1，ADC輸入x2，UART接口x2，多路IIC接口，多組GPIO接口，多個PWM接口，內部集成上電復位模塊。總的來說，雖然芯片pin腳的數量受限于QFP封裝，卻在各功能間配置合理，在方案設計時非常便利。

2）Flash存儲器采用三星公司的KLM8G1GETF-B041 EMMC FLASH，存儲容量8GB ，用于存儲軟體程式，電視設定及用戶軟件安裝。相較于之前使用的NAND Flash，EMMC將管理閃存的控制器集成在Flash端，讀寫數據更準確更靈活。

3）WIFI模塊采用高盛達公司2T2R單頻WIFI模組 W82R2510，W82R2510是基于瑞昱RTL8192EU芯片符合IEEE 802.11n標準的USB模塊，向下兼容IEEE802.11b/g標準，可應用于組建速率高達IEEE 802.11b 11Mbps、IEEE 802.11g 54Mbps、IEEE802.11n 300Mbps的無線局域網。

4）按鍵設計為5鍵輸入，得益于V553主IC的高精度ADC模塊，只占用了一組ADC輸入接口。

5）遙控設計為紅外接收方式，采用威世公司的紅外接收頭，載波頻率36kHz，更具noise濾除功能，提高抗干擾能力，避免由于環境或光線變化等產生干擾，對遙控指令誤識別的狀況。

3.聲音模塊

主芯片V553具有強大的聲音處理功能，支持音頻采樣率轉化，支持音量、均衡、靜音控制，支持虛擬立體聲/環繞聲，低音增強，支持對白增強和智能音量，支持環繞音聲音處理，因此在聲音解調及AQ的處理部分全部交由主芯片來做。

在主板上聲音功放采用了ESMT公司的AD52580，這是一顆模擬輸入的D類Audio功放IC，28pin 的SOP封裝，通過IC pin腳的電平選擇，可實現所有功能設置，設計使用非常方便。

1）4檔增益控制設定，可通過GAIN0/GAIN1 2個pin腳的電平高低組合，設定4檔的功放增益20/26/32/36 DB。

2）輸出限制功能，可通過調整外接分壓電阻，設定功放芯片PLIMIT pin腳的電壓，從而設定輸出功率限定值，當輸入信號過大時，功放會自動將輸出功率限制，以保護后端喇叭不被燒壞。這是一個非常有用的功能，如果用戶使用時輸入音頻信號的幅度過大，通過功放增益后，使電視揚聲器持續工作在高功率輸出的狀態，很容易造成損壞，如果限制了功放輸出，可以有效保護電視的揚聲器。

3）報錯功能，該功放有多重保護模式:過壓保護，過流保護，高溫保護，短路保護，當功放偵測到需要啟動保護時，FAULT pin會變成低電平狀態，只要我們把此pin連接在功放的Shut down pin上，就能及時關閉功放，保護其不被損壞。而當異常條件消失時，功放就可以自動恢復工作狀態。

二、設計亮點

1.STR功能設計

傳統的電視，主控是顆非常簡單的MCU，開機做一些初始化動作就可以正常運行了，所以開機速度非常快。而現在的智能電視搭載了安卓操作系統，隨著系統越來越復雜，開機變得越來越慢，用戶體驗感非常差，為了提升開機速度，采用了STR功能設計。

STR（Suspend to RAM）的原理，就是將電視從待機狀態喚醒并恢復到此前的運行狀態，關鍵是將待機前的軟硬件環境完整的恢復。在一個典型的電視系統中，包括電源、時鐘、CPU、業務邏輯、存儲設備、外設等部分。要保存系統的運行環境，需要將相關信息保存在DDR中，這種模式要求DDR芯片不能掉電，通過進入“自刷新”模式降低功耗。在自刷新方式下，DDR禁止時鐘使能信號CKE之外的所有的內部時鐘和輸入緩沖。刷新地址和刷新時間全部由器件內部產生，以此來降低功耗。一旦進入自刷新方式只有通過CKE變低才能激活，其他的任何輸入都將不起作用，在自刷新狀態下，DDR只能維持數據不丟失，但不支持讀寫操作。DDR自刷新待機需要操作系統支持Suspend to RAM 功能，在這種模式下，操作系統會將所有用戶態進程凍結，各個驅動模塊在待機前將信息保存在內存中并關閉模塊功能，最后CPU會將上下文（CPU自身的寄存器）保存在內存中并啟動MCU，整個系統進入到低功耗狀態。在收到喚醒指令后，MCU會將CPU啟動并恢復上下文，隨后各個驅動模塊和用戶態進程還原到待機前的狀態，整個系統完成待機喚醒。STR功能的實現，需要軟件，硬件和芯片的相互配合。

在硬件上，DDR的供電電源必須保證在待機模式下不能斷電，才能使DDR可以保存待機前數據，來迅速喚醒恢復。同時又要考量到待機模式整機功耗小于0.5W的法規要求，所以選用了DC/DC IC SY8079AAC，將5V轉化為DDR3所需的1.5V，既能滿足STR功能的要求，又能提升電源轉化效率，降低待機功耗。

2.電源動態調壓技術

電源動態調壓技術是根據運行場景的不同，動態設置不同的頻率和電壓水平來滿足當前的電路時序和性能要求。其最大的特點是能根據運行不同業務CPU占用率的多少，快速切換到不同的電壓和主頻，保證最經濟功耗運行。能夠保證在芯片性能不變的情況下，降低芯片運行時的功耗，根據預先設定的算法，通過軟件控制外部DC/DC， 動態調節CPU、GPU、CORE的電壓，從而達到降低主芯片平均功耗的效果。

動態調壓的實現需要通過DC/DC的反饋電壓來調節。為了滿足芯片供電的瞬態響應，需要選定DC/DC輸出頻率盡量高的物料，至少滿足工作頻率在500KHz以上的物料。DC/DC反饋電阻的選取，對于系統的穩定性影響極大，所以必須選用誤差為1%的精密電阻，以降低輸出電壓的誤差。同時，最終電壓是否符合軟件要求，需要測試每一檔電壓值（注意測試芯片管腳端）是否與寄存器設置一樣。一般建議實測值大于設置值10～20mV，以防止在高低溫下實際電壓偏低，造成重啟等異常。

三、結論

本文介紹了采用海思V553方案的超高清智能數字電視主板設計，詳細闡述了主板各個功能模塊的組成，并重點介紹了STR功能與電源動態調壓技術的應用，是業界中高端電視主板設計的典型。