恩智浦解决HDMI 1.4外围电路设计
- 陈毅斌
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随着3D电影一部一部的推出，机顶盒规格在大陆已出现由标清转高清的趋势，HDMI界面标准也由1.3版本升级为1.4版本，以支持3D影像的输出，如何处理好HDMI的信号，已然成为工程师的重要课题。
从芯片的角度来看，制程的快速演进，机顶盒的芯片、电视芯片、scaler芯片，朝向65纳米制程，甚至是40纳米前进，芯片本身的抗静电保护能力降低许多，控制信号电压也从5V降到3.3V或是1.8V。另外，高达4.7GHz的高速数据传输速度，让工程师在设计HDMI界面时需要花费很多的时间。
归纳起来，有几个重点是在做设计时需要注意的，包括：如何增强系统的抗静电能力？如何处理高速差动信号的阻抗匹配问题？如何处理控制信号的电位转换？如何在加上所有必要元件之后又能不占据板材的面积？以下是我们提供的建议。
抗静电能力+阻抗匹配
目前在市面上绝大数的ESD元件都是典型的分流器(Shunt-Protection)架构，要被保护的信号线「搭」在保护元件的pin脚上，由于元件的焊线(Bonding Wire)具有高阻抗(High ohmic)特性，ESD的脉冲会朝低阻抗(Low ohmic)走，因此焊线的高阻抗特性反而会阻挡ESD脉冲跑进保护元件。
针对这个现象，可以采用滤波式的传输线保护架构(Transmission Line Protection，图1右)。在这个架构下，焊线成为信号线的一部分，ESD脉冲一定会经过焊线，这可大幅改善钳位电压(Clamping voltage)。图2秀出采用分流器式的保护元件在正负8KVESD脉冲下所产生的钳位电压，在正8KV时高达276V。图3是传输线保护架构的结果，钳位电压约为61V，为分流器式的5分之1而已，钳位效果非常显着。另外，在HDMI的规范下，TMDS的Impedance要控制在100ohm，正负15%之间，由于ESD元件的电阻特性会把Impedance往下拉，所以一般在选择ESD元件时会希望找到电容愈低愈好的元件，因较低的电容产生较小的影响，但是采用滤波式传输线钳位架构的元件就没有这个问题，因为焊线电感性的特性， 会把掉下来的Impedance往上拉做补偿，看图4的结果，其误差只有正负6~8%，这是非常好的一个结果。
控制信号的电位转换
一般用来做电位转换(level shift)的元件都是采用MOSFET，但是用MOSFET会有一个限制(图4)，MOSFET可以将高压位准做调整，但是对于低压位准却是一点办法也没有。为什麽需要处理低压位准呢？终端客户在将主机(机顶盒或平板电脑)接上显示器(电视或液晶屏幕)时，在传输路径上有MUX，有ESD，有连接线(图5)，这些元件上都有电阻效应，这很容易就将低压位准拉上来，太高的低压位准会造成系统得到错误的指令，主机接上电视后屏幕却显示不出画面，一般终端客户的直接反应就是主机有问题！
设计者要如何解决这个隐藏性的问题呢？我们建议使用缓冲器(Buffer)(图6)来做电位转换。
缓冲器除了处理高压位准，也可以处理低压位准，表1显示了缓冲器的直流电位侦测位准。以5V为例，凡是高于3.5V的电位都将视为高位准，低于1.5V都视为低位准，缓冲器会自动去处理电位的转换，让信号不会失真。
此外，缓冲器架构在抗静电这个需求上有更重要的功能， 前面提到的传输式保护架构的抗静电能力，虽然它的效率有大幅的改善，但不可避免的还是多少会留下一些钳位电压(Clamping voltage)。ESD脉冲经过缓冲器后，不会有任何脉冲会穿过去，ESD脉冲会完全被阻挡在外，我们称之为零钳位电压(Zero clamping)。这可以说是最强的抗静电防护了。
总结
NXP推出最新的IP4786CZ32(图8)，它整合了上述的所有功能，加上3.3V的定电压源、5V电源的过电流保护线路、LDO，以及逆向电流保护。工程师在处理HDMI界面时，只要放1颗IP4786CZ32再加上1颗小电容在连接器及HDMI芯片中间，即完成设计。LAYOUT问题(阻抗匹配)、电压位准问题、防静电能力够不够的问题，全都由小型封装及简洁设计的IP4786CZ32一次解决。采用IP4786CZ32可以带给工程师最大的帮助。
