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AMAZINGIC晶焱HDMI使用靜電防護元件時如何同時兼顧訊號完整度

由 KOYUELEC光與電子RAIN 發表于運動2022-08-09

簡介AMAZINGIC晶焱科技｜KOYUELEC光與電子｜提供HDMI 應用使用靜電防護元件時如何同時兼顧訊號完整度方案與應圖三、HDMI TMDS差動訊號線阻抗規範如前所述，因為靜電防護元件本身都會有寄生電容的效應，可預期在HDMI TMDS

焱可以組什麼詞語

AMAZINGIC晶焱科技｜HDMI 應用使用靜電防護元件時如何同時兼顧訊號完整度

基於人們對於顯示影像的質量需求，不論是顯示器技術的改進，或是影像質量的發展也越來越前瞻。如此高影像畫質內容也需要更高速的介面的搭配才能流暢地表現出來。因此，高畫質晰度多媒體介面HDMI （High Definition Multimedia Interface）協會於公元2014年率先發表HDMI2。0的規格，HDMI TMDS Pair最大的傳輸頻寬從10。2 Gbps 提升至 18Gbps，且可支援的解析度從4K*2K@30Hz升級至4K*2K @60Hz。

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圖一、不同HDMI規範速度比較表

HDMI的架構如圖二所示，主要是利用三組TMDS 差動訊號對，以及一組TMDS差動訊號對的頻率做為高速影像及聲音訊號的傳輸。而DDC以及CEC等訊號線則做為裝置間溝通的橋樑。目前已成為非常普及的影音傳輸介面，已廣泛的應運於電子產品上例如。。數位機頂盒。螢幕。電視機。。等。

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圖二、HDMI傳輸介面架構圖

隨著低功耗及高速訊號的需求日益增加，目前主晶片的製程也就從以前的90奈米制程精進到如今的14奈米甚至7奈米制程，越做越精密。但也因此半導體元件的閘極氧化層厚度越來越薄，接面深度也越來越淺，主晶片能耐受靜電放電電流相對變弱許多。系統設計者也已發現因為靜電放電問題造成的產品受損客退案件增加，其中於高速介面埠處面臨此問題更是明顯，故以目前的電子市場來看，大部分的高速介面埠如HDMI介面都會加上靜電防護元件來加強靜電放電防護能力，以減少因HDMI埠受損的客退情況。 HDMI 為高速訊號的影音介面，所以在訊號測試上也相當的嚴謹，但加上靜電防護元件或多或少會在訊號線上產生寄生電容的效應，即有機會影響到高速訊號傳輸時的完整性，所以如何在這麼高速的傳輸介面端使用靜電防護元件的同時，也能兼顧訊號完整度以及靜電放電防護能力既為系統設計者的重要議題。

HDMI CTS （Compliance Test Specification）測試中，有特別要求要測試HDMI TMDS的差動訊號阻抗值，主要的要求為： TMDS 差動訊號對的PCB 阻抗必須在100奧姆的+/- 15%以內（範圍為85奧姆至115奧姆之間）。CTS法規裡又特別有提到，可以低於或超過100 ohm的+/- 15% 一個點，但阻抗值必須落在100奧姆+/- 25%，同時其影響範圍的時間週期必須在250 ps以內，如下圖三所示。

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圖三、HDMI TMDS差動訊號線阻抗規範

如前所述，因為靜電防護元件本身都會有寄生電容的效應，可預期在HDMI TMDS 差動訊號對線路上擺放靜電防護元件，對阻抗勢必會有一定的影響，目前有兩種方法可以解決HDMI TMDS Pair 差動訊號線阻抗匹配的問題。

1。電子元件

有些工程師在設計PCB電路時，會在HDMI TMDS 差動訊號對線路上的靜電防護器件後預留高頻的共模 choke，以及在主晶片之前預留串聯電阻，來解決阻抗匹配的問題。

圖四、HDMI TMDS差動訊號線上利用元件補償阻抗方式示意圖

2。改變差動訊號線的線寬與線距

在PCB電路板佈線時，差動訊號線的線寬，以及差動訊號線之間的距離，都會是影響阻抗匹配的關鍵。而加上靜電防護元件有寄生電容效應的緣故，有些工程師在設計的初期，會在預計放置靜電防護元件的設計路徑上，故意將阻抗設計稍微高一點，以防止靜電防護元件的寄生電容導致HDMI阻抗測試無法透過。一般來說，如果靜電防護元件的寄生電容大於1pF，那您要用此兩種方式來透過HDMI CTS的阻抗測試就非常地困難，故如您要選擇靜電防護元件於HDMI TMDS 差動訊號對上，建議您使用電容約在0。5pF的靜電防護元件為佳。

圖五、HDMI TMDS 差動訊號線改變線寬線距示意圖

早期業界在HDMI TMDS差動訊號對上所使用的靜電防護元件以SOT23-6L封裝為主，但因為其在PCB 電路板佈線時阻抗變化太大，所以後續有些系統設計者將其換成可以走順線（feed through）的MSOP-10L封裝。最近幾年，則因比MSOP-10L更輕薄短小的DFN2510P10E封裝的推出，且同時仍兼具走順線，以及更省PCB的空間等等優點，DFN2510P10E封裝陸續受到廣大電路設計者的使用。

圖六、HDMI TMDS 差動訊號線TVS封裝進化圖

晶焱科技目前在HDMI TMDS差動訊號線上主推的料件也是DFN2510P10E封裝的為主，其料號為AZ1143-04F以及AZ1023-04F。AZ1143-04F是含有過電壓防護功能的靜電防護元件，單體可耐受IEC61000-4-5 Surge（1。2/50μs）的能量約6A左右，其本身電容值約為0。45pF。同時，其在靜電放電防護時的箝制電壓（Clamping voltage）特性上也非常低，在使用TLP （transmission Line Pulsing）測試下，其箝制電壓約在9V左右（TLP電流約為17A），可參考圖七圖試說明。使用AZ1143-04F做為靜電防護元件，對HDMI TMDS 差動訊號線的阻抗特性影響很小，約只有13 奧姆而已，但仍然在安全範圍內（85奧姆至115奧姆之間）。詳細資料可參考圖八。

圖七、AZ1143-04F 的（a）電容-電壓圖以及（b） TLP 電流-電壓圖

圖八、AZ1143-04F 在HDMI CTS 差動阻抗測試結果

而AZ1023-04F電容值更只有0。18pF，除此之外，ESD防護元件最重要的引數箝制電壓，AZ1023-04F的箝制電壓在TLP 電流約17A時約為11V （如圖九所示），對HDMI TMDS 差動訊號線上的阻抗特性約隻影響8奧姆左右，仍然在安全範圍內（85奧姆至115奧姆之間），可請參考圖十說明。

圖九、AZ1023-04F 的（a）電容-電壓圖以及（b） TLP電流-電壓圖

圖十、AZ1023-04F 在HDMI CTS 差動阻抗測試結果

某些主晶片廠商會擔心高速差動訊號線間會有串擾（Crosstalk）的問題，希望將兩組高速差動訊號線間隔能拉開一點，以避免面對串擾（Crosstalk）問題。本公司為了這需求，進一步開發出AZ1023-02F，此為雙通道的靜電防護元件，封裝為DF1210P6X，其PCB 電路板佈局請參考圖十一說明。AZ1023-02F電容約為0。18pF，其ESD箝制電壓在17A時約為13V （圖十二所示），對HDMI TMDS差動訊號線上的阻抗特性約隻影響9 奧姆左右，仍然在安全範圍內（85奧姆至115奧姆之間），（請參考圖十三所示）。