移动设备MHL信号的静电放电防护设计

图一：MHL信号的传递，是藉由移动设备端的micro-USB接口、及HDTV端的HDMI接口来完成。

移动高清连接技术(Mobile High-Definition Link；MHL)是一种专门为移动设备(mobile/portable device)所开发的影音传输技术，旨在将移动设备(如：手机、数码镜头、数码摄影机、平板电脑、笔记本电脑)的影音信号连接至高清电视(High Definition Television；HDTV)或影音播放设备(如：投影机)，使移动设备的终端用户得以分享其影音视频给亲朋好友一同观赏。

移动设备的设计，为使终端使用者(end user)随身携带，随时方便使用，其外观朝向薄型化、体积小型化发展是一个必然的趋势。由于体积较小，所以移动设备的外观上不能设计存在太多的接口(connector)，而且是朝单一接口化的方向发展。因此，MHL技术应运而生。

在移动设备与HDTV间MHL信号的传递，是藉由移动设备端的micro-USB接口、及HDTV端的HDMI接口来完成，并没有因为传递MHL信号的需要，而增加任何接口。有关MHL信号的传递，可以参考图一的示意图，以更直观地了解其运作方式。

除了影音传输的主要功能之外，MHL技术还可以利用HDTV的电源，对移动设备进行充电。使用者将可以更便利地一边与亲朋好友在HDTV上欣赏移动设备中所播放的影音数据，一边对自己的移动设备进行充电，而不需要另外找时间、准备好充电器，才能对移动设备充电。

MHL技术是由MHL Consortium于2010年6月首次发布的技术标准。MHL Consortium成立于2010年4月，是由5家移动设备相关元件的制造商所共同成立的组织。这5家公司是：诺基亚(Nokia Corporation)、三星电子(Samsung Electronics Co., Ltd.)、矽映公司(Silicon Image Inc.)、索尼(Sony Corporation)及东芝(Toshiba Corporation)。其中，矽映公司主导了MHL技术的开发[1]。

根据矽映公司的消息，MHL技术已经可以支持1080p/60Hz的影音信号传递(在此之前，只能支持1080p/30Hz的影音信号传递)。并且，截至2012年7月底为止，该公司已经售出1亿颗(100 million unit)的MHL相关产品[2]。在移动设备影音传输技术的竞赛中，与MyDP(Mobility DisplayPort)技术以及USB 3.0技术相较，MHL技术目前取得相对领先的优势[3]。

一般而言，MHL技术在移动设备端的接口是5-pin的micro-USB接口(截至目前为止，唯一例外的是Samsung Galaxy S III产品的11-pin接口)，其各脚位的信号定义如表一所示[4]。

既然有接口的存在，就一定存在了静电放电防护(electrostatic discharge protection；ESD protection)的问题：移动设备产品的接口端必须依据IEC 61000-4-2标准，以静电模拟器(ESD simulator，一般而言是静电枪(ESD gun))进行系统级静电放电的测试验证。由于MHL信号的传输速率最高可达2.25 Gbit/s，所以，静电放电防护元件(ESD protection device)的输入电容值(input capacitance)必须小于0.5 pF(微微法拉)，才不会影响MHL信号的正常传输。

再者，MHL的脚位信号中，有一对差动信号(differential signal pair)。在进行电路布局(PCB layout)时，必须考虑到这一对差动信号的走线对称(symmetric trace routing)，以降低差动信号间由于寄生效应所产生的输入阻抗差异，期使差动输出位准更加准确，才能使HDTV的影音输出完美无瑕。

还有一点，MHL技术是应用于可携式移动设备上的。移动设备的体积很小，所以，静电放电防护元件的体积和厚度也必须是相对很小的，才能顺利地摆置在有限的电路板面积上，达成防护MHL信号的电路元件、使之免于遭受静电放电事件(ESD event)破坏的功效。

针对以上MHL技术的静电放电防护需求，晶焱科技所推出的AZ1045-02F产品，是一个绝佳的解决方案。AZ1045-02F是一颗以DFN6(P0.4mm, T0.45mm)完成封装的暂态电压抑制器(Transient Voltage Suppressor；TVS)产品。这种DFN6(P0.4mm, T0.45mm)小型外观尺寸的封装，解决了布局设计工程师在进行移动设备电路板线路布局时，通常预留给静电放电防护元件摆置的布局面积窘困狭小、难以摆置绕线的难题[5]。

AZ1045-02F其脚位定义如图二所示。值得注意的是，其脚位信号全数安排在单一侧，另一侧则皆为未接信号(not connected；NC)脚位。这使得MHL的差动对信号绕线得以如图三所示的直接拉过AZ1045-02F底下，使得信号绕线长度可以最短、而且绕线可以完全对称，以降低差动对信号的绕线寄生阻抗、并使差动对信号间的输入寄生阻抗完全一致。

AZ1045-02F应用于MHL信号静电放电防护的实际绕线建议如图四所示。图四右侧为移动设备对外的micro-USB接口端，左侧则是连接到移动设备内部的MHL信号传输器(transmitter)。移动设备的影音信号，是从其内部藉由MHL信号传输器将MHL信号传送至右侧的micro-USB接口端；再由移动设备外部的MHL传输线，将MHL信号传输至HDTV的HDMI接口端。

因此，在micro-USB接口端看进去的第一级电路(first stage circuits，在此即为MHL信号传输器)必须有静电放电防护的机制，以免静电放电能量直接藉由micro-USB接口端进入，轰击第一级的电路，造成第一级电路元件的损伤。所以，AZ1045-02F必须摆置在micro-USB接口端看进来的第一级电路之前。亦即如图四所示布局位置与线路绕线。

图五所示，为AZ1045-02F对应于不同输入电压的输入电容曲线(Cin-Vin plot)。由图中的曲线可知：AZ1045-02F的典型输入电容值(typical input capacitance)小于0.5 pF。如此低容值的负载与MHL+/MHL-信号线并联时，并不会造成此差动对信号于高速传输时的信号失真，非常适合应用于MHL技术差动对信号元件的静电放电防护。

图六所示是AZ1045-02F在传输线触波产生器(Transmission Line Pulsing System；TLP System)测试下，所量得的电流-电压曲线(I-V curve)。由图中的曲线可知，在17安培的静电测试电流流经AZ1045-02F的暂态电压抑制器元件时，其所对应的箝位电压(clamping voltage；Vclamp)小于12伏特。17安培的TLP测试电流值，相当于在IEC 61000-4-2接触模式(contact mode)测试时，静电电压6kV所对应的瞬态静电电流值。

亦即，在IEC 61000-4-2接触模式6kV测试时，AZ1045-02F的箝位电压仍能小于12伏特。这意味着AZ1045-02F除了导通电压极低、可以快速地导通并宣泄掉静电放电电流之外，其在高能量的静电放电测试时，更能使其箝位电压一直保持在极低的电位，以确保MHL差动对信号的电路元件不会遭受静电放电能量的轰击而损伤。

由以上分析可知，AZ1045-02F是解决MHL技术的静电放电防护难题的一个绝佳方案。其低于0.5 pF的电容负载、极小体积及厚度的封装型式、针对高速差动对信号所设计的封装脚位安排，以及极低的静电放电箝位电压等，均为MHL差动对信号的静电放电防护解决方案的一时之选。

晶焱科技(Amazing Microelectronic Corp., www.amazingIC.com)是一家开发静电放电防护设计技术(ESD protection design technologies)与解决方案的专业IC设计公司。其研发团队在核心技术的发展上，早已累积长足的经验与技能、为数颇丰的专利与论文。关于AZ1045-02F产品的详细规格、样品索取及技术支持，欢迎直接联系：sales@amazingIC.com。(本图文由晶焱科技设计研发部彭政杰经理提供，刘一婷整理)

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. 庄惠雯，「高速传输界面互踩地盘 争抢移动设备唯一接口宝座 MyDP/MHL/USB战火炽烈」，新通讯2012年6月号136期，weblink: http://www.2cm.com.tw/coverstory_content.asp?sn=1205300010 .
4. 「HDMI D TYPE头号劲敌——MHL高清互连技术标准」，weblink: http://www.dxdlw.com/ShowPost.asp?ThreadID=62662 .
5. AZ1045-02F datasheet, please contact with sales@amazingIC.com .