行動裝置MHL訊號的靜電放電防護設計

圖一：MHL訊號的傳遞，是藉由行動裝置端的micro-USB接口、及HDTV端的HDMI接口來完成。

移動高清連接技術(Mobile High-Definition Link；MHL)是一種專門為行動裝置(mobile/portable device)所開發的影音傳輸技術，旨在將行動裝置(如：手機、數位相機、數位攝影機、平板電腦、筆記型電腦)的影音訊號連接至高清電視(High Definition Television；HDTV)或影音播放設備(如：投影機)，使行動裝置的終端用戶得以分享其影音視頻給親朋好友一同觀賞。

行動裝置的設計，為使終端使用者(end user)隨身攜帶，隨時方便使用，其外觀朝向薄型化、體積小型化發展是一個必然的趨勢。由於體積較小，所以行動裝置的外觀上不能設計存在太多的接口(connector)，而且是朝單一接口化的方向發展。因此，MHL技術應運而生。

在行動裝置與HDTV間MHL訊號的傳遞，是藉由行動裝置端的micro-USB接口、及HDTV端的HDMI接口來完成，並沒有因為傳遞MHL訊號的需要，而增加任何接口。有關MHL訊號的傳遞，可以參考圖一的示意圖，以更直觀地了解其運作方式。

除了影音傳輸的主要功能之外，MHL技術還可以利用HDTV的電源，對行動裝置進行充電。使用者將可以更便利地一邊與親朋好友在HDTV上欣賞行動裝置中所播放的影音資料，一邊對自己的行動裝置進行充電，而不需要另外找時間、準備好充電器，才能對行動裝置充電。

MHL技術是由MHL Consortium於2010年6月首次發布的技術標準。MHL Consortium成立於2010年4月，是由5家行動裝置相關元件的製造商所共同成立的組織。這5家公司是：諾基亞(Nokia Corporation)、三星電子(Samsung Electronics Co., Ltd.)、矽映公司(Silicon Image Inc.)、索尼(Sony Corporation)及東芝(Toshiba Corporation)。其中，矽映公司主導了MHL技術的開發[1]。

根據矽映公司的消息，MHL技術已經可以支援1080p/60Hz的影音訊號傳遞(在此之前，只能支援1080p/30Hz的影音訊號傳遞)。並且，截至2012年7月底為止，該公司已經售出1億顆(100 million unit)的MHL相關產品[2]。在行動裝置影音傳輸技術的競賽中，與MyDP(Mobility DisplayPort)技術以及USB 3.0技術相較，MHL技術目前取得相對領先的優勢[3]。

一般而言，MHL技術在行動裝置端的接口是5-pin的micro-USB接口(截至目前為止，唯一例外的是Samsung Galaxy S III產品的11-pin接口)，其各腳位的訊號定義如表一所示[4]。

既然有接口的存在，就一定存在了靜電放電防護(electrostatic discharge protection；ESD protection)的問題：行動裝置產品的接口端必須依據IEC 61000-4-2標準，以靜電模擬器(ESD simulator，一般而言是靜電槍(ESD gun))進行系統級靜電放電的測試驗證。由於MHL訊號的傳輸速率最高可達2.25 Gbit/s，所以，靜電放電防護元件(ESD protection device)的輸入電容值(input capacitance)必須小於0.5 pF(微微法拉)，才不會影響MHL訊號的正常傳輸。

再者，MHL的腳位訊號中，有一對差動訊號(differential signal pair)。在進行電路布局(PCB layout)時，必須考慮到這一對差動訊號的走線對稱(symmetric trace routing)，以降低差動訊號間由於寄生效應所產生的輸入阻抗差異，期使差動輸出位準更加準確，才能使HDTV的影音輸出完美無瑕。

還有一點，MHL技術是應用於可攜式行動裝置上的。行動裝置的體積很小，所以，靜電放電防護元件的體積和厚度也必須是相對很小的，才能順利地擺置在有限的電路板面積上，達成防護MHL訊號的電路元件、使之免於遭受靜電放電事件(ESD event)破壞的功效。

針對以上MHL技術的靜電放電防護需求，晶焱科技所推出的AZ1045-02F產品，是一個絕佳的解決方案。AZ1045-02F是一顆以DFN6(P0.4mm, T0.45mm)完成封裝的暫態電壓抑制器(Transient Voltage Suppressor；TVS)產品。這種DFN6(P0.4mm, T0.45mm)小型外觀尺寸的封裝，解決了布局設計工程師在進行行動裝置電路板線路布局時，通常預留給靜電放電防護元件擺置的布局面積窘困狹小、難以擺置繞線的難題[5]。

AZ1045-02F其腳位定義如圖二所示。值得注意的是，其腳位訊號全數安排在單一側，另一側則皆為未接訊號(not connected；NC)腳位。這使得MHL的差動對訊號繞線得以如圖三所示的直接拉過AZ1045-02F底下，使得訊號繞線長度可以最短、而且繞線可以完全對稱，以降低差動對訊號的繞線寄生阻抗、並使差動對訊號間的輸入寄生阻抗完全一致。

AZ1045-02F應用於MHL訊號靜電放電防護的實際繞線建議如圖四所示。圖四右側為行動裝置對外的micro-USB接口端，左側則是連接到行動裝置內部的MHL訊號傳輸器(transmitter)。行動裝置的影音訊號，是從其內部藉由MHL訊號傳輸器將MHL訊號傳送至右側的micro-USB接口端；再由行動裝置外部的MHL傳輸線，將MHL訊號傳輸至HDTV的HDMI接口端。

因此，在micro-USB接口端看進去的第一級電路(first stage circuits，在此即為MHL訊號傳輸器)必須有靜電放電防護的機制，以免靜電放電能量直接藉由micro-USB接口端進入，轟擊第一級的電路，造成第一級電路元件的損傷。所以，AZ1045-02F必須擺置在micro-USB接口端看進來的第一級電路之前。亦即如圖四所示布局位置與線路繞線。

圖五所示，為AZ1045-02F對應於不同輸入電壓的輸入電容曲線(Cin-Vin plot)。由圖中的曲線可知：AZ1045-02F的典型輸入電容值(typical input capacitance)小於0.5 pF。如此低容值的負載與MHL+/MHL-訊號線並聯時，並不會造成此差動對訊號於高速傳輸時的訊號失真，非常適合應用於MHL技術差動對訊號元件的靜電放電防護。

圖六所示是AZ1045-02F在傳輸線觸波產生器(Transmission Line Pulsing System；TLP System)測試下，所量得的電流-電壓曲線(I-V curve)。由圖中的曲線可知，在17安培的靜電測試電流流經AZ1045-02F的暫態電壓抑制器元件時，其所對應的箝位電壓(clamping voltage；Vclamp)小於12伏特。17安培的TLP測試電流值，相當於在IEC 61000-4-2接觸模式(contact mode)測試時，靜電電壓6kV所對應的瞬態靜電電流值。

亦即，在IEC 61000-4-2接觸模式6kV測試時，AZ1045-02F的箝位電壓仍能小於12伏特。這意味著AZ1045-02F除了導通電壓極低、可以快速地導通並宣洩掉靜電放電電流之外，其在高能量的靜電放電測試時，更能使其箝位電壓一直保持在極低的電位，以確保MHL差動對訊號的電路元件不會遭受靜電放電能量的轟擊而損傷。

由以上分析可知，AZ1045-02F是解決MHL技術的靜電放電防護難題的一個絕佳方案。其低於0.5 pF的電容負載、極小體積及厚度的封裝型式、針對高速差動對訊號所設計的封裝腳位安排，以及極低的靜電放電箝位電壓等，均為MHL差動對訊號的靜電放電防護解決方案的一時之選。

晶焱科技(Amazing Microelectronic Corp., www.amazingIC.com)是一家開發靜電放電防護設計技術(ESD protection design technologies)與解決方案的專業IC設計公司。其研發團隊在核心技術的發展上，早已累積長足的經驗與技能、為數頗豐的專利與論文。關於AZ1045-02F產品的詳細規格、樣品索取及技術支援，歡迎直接聯繫：sales@amazingIC.com。(本圖文由晶焱科技設計研發部彭政傑經理提供，劉一婷整理)

Reference :
1. MHL Consortium, weblink: http://www.mhlconsortium.org/ .
2. Silicon Image Press Release, weblink: http://www.siliconimage.com/news/releasedetails.aspx?id=725 .
3. 莊惠雯，「高速傳輸介面互踩地盤 爭搶行動裝置唯一接口寶座 MyDP/MHL/USB戰火熾烈」，新通訊2012年6月號136期，weblink: http://www.2cm.com.tw/coverstory_content.asp?sn=1205300010 .
4. 「HDMI D TYPE頭號勁敵——MHL高清互連技術標準」，weblink: http://www.dxdlw.com/ShowPost.asp?ThreadID=62662 .
5. AZ1045-02F datasheet, please contact with sales@amazingIC.com .