恩智浦解決HDMI 1.4外圍電路設計

圖1，分流器式架構及傳輸式保護架構。

隨著3D電影一部一部的推出，機上盒規格在大陸已出現由標清轉高清的趨勢，HDMI介面標準也由1.3版本升級為1.4版本，以支援3D影像的輸出，如何處理好HDMI的訊號，已然成為工程師的重要課題。

從晶片的角度來看，製程的快速演進，機上盒的晶片、電視晶片、scaler晶片，朝向65奈米製程，甚至是40奈米前進，晶片本身的抗靜電保護能力降低許多，控制訊號電壓也從5V降到3.3V或是1.8V。另外，高達4.7GHz的高速資料傳輸速度，讓工程師在設計HDMI介面時需要花費很多的時間。

歸納起來，有幾個重點是在做設計時需要注意的，包括：如何增強系統的抗靜電能力？如何處理高速差動訊號的阻抗匹配問題？如何處理控制訊號的電位轉換？如何在加上所有必要元件之後又能不佔據板材的面積？以下是我們提供的建議。

抗靜電能力+阻抗匹配

目前在市面上絕大數的ESD元件都是典型的分流器(Shunt-Protection)架構，要被保護的訊號線「搭」在保護元件的pin腳上，由於元件的銲線(Bonding Wire)具有高阻抗(High ohmic)特性，ESD的脈衝會朝低阻抗(Low ohmic)走，因此銲線的高阻抗特性反而會阻擋ESD脈衝跑進保護元件。

針對這個現象，可以採用濾波式的傳輸線保護架構(Transmission Line Protection，圖1右)。在這個架構下，銲線成為訊號線的一部分，ESD脈衝一定會經過銲線，這可大幅改善鉗位電壓(Clamping voltage)。圖2秀出採用分流器式的保護元件在正負8KVESD脈衝下所產生的鉗位電壓，在正8KV時高達276V。圖3是傳輸線保護架構的結果，鉗位電壓約為61V，為分流器式的5分之1而已，鉗位效果非常顯著。另外，在HDMI的規範下，TMDS的Impedance要控制在100ohm，正負15%之間，由於ESD元件的電阻特性會把Impedance往下拉，所以一般在選擇ESD元件時會希望找到電容愈低愈好的元件，因較低的電容產生較小的影響，但是採用濾波式傳輸線鉗位架構的元件就沒有這個問題，因為銲線電感性的特性， 會把掉下來的Impedance往上拉做補償，看圖4的結果，其誤差只有正負6~8%，這是非常好的一個結果。

控制訊號的電位轉換

一般用來做電位轉換(level shift)的元件都是採用MOSFET，但是用MOSFET會有一個限制(圖4)，MOSFET可以將高壓位準做調整，但是對於低壓位準卻是一點辦法也沒有。為什麼需要處理低壓位準呢？終端客戶在將主機(機上盒或平板電腦)接上顯示器(電視或液晶螢幕)時，在傳輸路徑上有MUX，有ESD，有連接線(圖5)，這些元件上都有電阻效應，這很容易就將低壓位準拉上來，太高的低壓位準會造成系統得到錯誤的指令，主機接上電視後螢幕卻顯示不出畫面，一般終端客戶的直接反應就是主機有問題！

設計者要如何解決這個隱藏性的問題呢？我們建議使用緩衝器(Buffer)(圖6)來做電位轉換。

緩衝器除了處理高壓位準，也可以處理低壓位準，表1顯示了緩衝器的直流電位偵測位準。以5V為例，凡是高於3.5V的電位都將視為高位準，低於1.5V都視為低位準，緩衝器會自動去處理電位的轉換，讓訊號不會失真。

此外，緩衝器架構在抗靜電這個需求上有更重要的功能， 前面提到的傳輸式保護架構的抗靜電能力，雖然它的效率有大幅的改善，但不可避免的還是多少會留下一些鉗位電壓(Clamping voltage)。ESD脈衝經過緩衝器後，不會有任何脈衝會穿過去，ESD脈衝會完全被阻擋在外，我們稱之為零鉗位電壓(Zero clamping)。這可以說是最強的抗靜電防護了。

總結

NXP推出最新的IP4786CZ32(圖8)，它整合了上述的所有功能，加上3.3V的定電壓源、5V電源的過電流保護線路、LDO，以及逆向電流保護。工程師在處理HDMI介面時，只要放1顆IP4786CZ32再加上1顆小電容在連接器及HDMI晶片中間，即完成設計。LAYOUT問題(阻抗匹配)、電壓位準問題、防靜電能力夠不夠的問題，全都由小型封裝及簡潔設計的IP4786CZ32一次解決。採用IP4786CZ32可以帶給工程師最大的幫助。