最新的HDMI 1.3版標準將資料傳輸速率提高為先前HDMI 1.0、1.2版的兩倍，使得每一差動訊號對(Differential Signal Pair)達到3.4Gbit/s，然而資料傳輸速率的提升卻也為須具有低電容以確保訊號完整性的電路板設計帶來眾多的新挑戰，特別是在導入強固可靠的ESD靜電保護方案時。
選擇適當解決方案可讓提高HDMI系統靜電保護功能的設計變得更為容易。以泰科電子的靜電保護元件與過電流保護參考設計布局為例，除了達到3.4GHz的HDMI 1.3規格要求外，還能協助符合IEC 61000-4-2靜電保護標準，並使電路板空間應用達到最佳化等，讓設計人員可將風險降到最低。
要為高畫質視訊系統增加靜電保護功能會產生許多複雜且難以理解的問題，造成成本增加並延緩產品上市時程，因此導入較容易建置的解決方案成最常見的選擇，然而最簡單的方法不見得能提供所需的靜電保護效能或有效使用電路板面積。甚至，有些解決方案乍看之下似能提供最佳的靜電保護，但實際使用後才發現須多次修改電路板設計，才能確保訊號時序符合要求。想要提供適當的靜電保護，通常意謂要在電路板面積、靜電保護效能和實作簡單性之間做出取捨，但從現在起，這種兩難局面將不再出現。在為HDMI 1.3系統提供強大可靠的靜電保護時，HDMI介面的操作速度是讓設計工作變得複雜的主因。
確認HDMI操作速度為首務
關於HDMI的速度有許多不同的講法，使得設計人員很難選擇適當的靜電保護解決方案。以最新版的HDMI 1.3為例，一般認為每秒處理3.4億個畫素或最高達10.2Gbit/s的資料傳輸速率，雖然這是對系統操作速度的精確描述，但並不等於HDMI介面的最小化傳輸差動訊號(TMDS)速度。然而在為HDMI介面選擇適當的靜電保護解決方案時，TMDS速度也必須列入考慮。
HDMI 1.3系統的操作速度最高能達到每秒3.4億個畫素或10.2Gbit/s。「操作速度最高能達到」意謂HDMI介面會隨著傳送器和接收器的視訊效能不同而改變其時脈速率，換言之，線路兩端連接裝置的解析度或色彩深度值愈高，時脈速率就愈高。在實際應用裡，HDMI的速度僅須快到足以傳送所需的畫素數目，以便驅動螢幕或液晶電視等顯示裝置即可。舉例來說，高畫質DVD播放機和液晶螢幕在播放48位元色彩深度的1,080P高畫質視訊時，所處理的資訊量當然超過播放480i標準畫質DVD。
表1列出各種解析度、每行對應的畫素數目和每一圖框的行數。隨著色彩深度不同，每一畫素色彩所須傳送的編碼位元數也有差異。HDMI傳送器傳送給HDMI接收器的資料量可表示為多個變數的關係式，包括螢幕每秒所需更新的圖框數目。此一關係式如表2所示。
HDMI資料傳輸速率=X×Y×F×B
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表1 不同HDMI標準所支援的解析度和色彩深度 |
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| 版本 | 常用解析度 | 支援的色彩深度 | 色彩總數 |
| 1.0、1.2 | 1,280 × 720p (標準HDTV) | 24位元 | 1,700萬 |
| 1,920 × 1,080p (完整HDTV) | 24位元 | 1,700萬 | |
| 1.3 | 1280 × 720p | 24位元 | 1,700萬 |
| 30位元 | 10億 | ||
| 36位元 | 690億 | ||
| 48位元 (選用) | 2,800兆 | ||
| 1,920 × 1,080p | 24位元 | 1,700萬 | |
| 30位元 | 10億 | ||
| 36位元 | 690億 | ||
| 48位元 (選用) | 2,800兆 | ||
| 1,440p和1,600p等更高的解析度 | 24位元 | 1,700萬 | |
| 30位元 | 10億 | ||
| 36位元 | 690億 | ||
| 48位元 (選用) | 2,800兆 | ||
| 表2 HDMI傳送器到HDMI接收器的資料傳輸速率 | ||||||
| 視訊格式 | X(包含更新畫素) |
Y(包含更新行數) |
F | 色彩深度 | B | HDMI資料傳輸速率 |
| 每行的畫素數目 | 每個圖框的行數 | 每秒圖框數 | 每個畫素的位元數 | 每個畫素的編碼位元數 | Gbit/s | |
| 1,080i | 2,200 | 1,125 | 30 | 30 | 37.5 | 2.78 |
| 36 | 45 | 3.34 | ||||
| 48 | 60 | 4.46 | ||||
| 1,080p | 60 | 30 | 37.5 | 5.57 | ||
| 36 | 45 | 6.68 | ||||
| 48 | 60 | 8.91 | ||||
| 1,080p | 90 | 36 | 45 | 10.02 | ||
| 1,444p和1,600p等 | 視格式而定 | 視格式而定 | 視格式而定 | 30, 36, 48 | 37, 5, 45, 60 | 高達10.2Gbit/s |
其中X是每行的畫素數目，Y是每個圖框的行數，F是每秒圖框數，B則是每個畫素的編碼位元數。
HDMI實體資料介面共包含四個TMDS差動對，其中包含三個通道的資料差動對和一個通道的時脈差動對。其三個TMDS資料差動對須能以高達10.2Gbit/s的速率傳送和接收資料，此表示每個TMDS資料對須提供10.2Gbit/s/3=3.4Gbit/s(或GHz)的訊號(開關) 速率。表3將表2的資訊及TMDS訊號速率和時脈速率列在一起，以便說明鏈路資料速率與實體TMDS訊號對的關係。
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表3 HDMI資料速率與TMDS訊號速度 |
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| 視訊格式 | X(包含更新畫素) |
Y(包含更新行數) |
F | 色彩深度 | B | HDMI資料速率 | 訊號速率/TMDS通道 |
| 每行的畫素數目 | 每個圖框的行數 | 每秒圖框數 | 每個畫素的位元數 | 每個畫素的編碼位元數 | Gbit/s | Gbit/s | |
| 1,080i | 2,200 | 1,125 | 30 | 30 | 37.5 | 2.78 | 0.93 |
| 36 | 45 | 3.34 | 1.11 | ||||
| 48 | 60 | 4.46 | 1.49 | ||||
| 1,080p | 60 | 30 | 37.5 | 5.57 | 1.86 | ||
| 36 | 45 | 6.68 | 2.23 | ||||
| 48 | 60 | 8.91 | 2.97 | ||||
| 1,080p | 90 | 36 | 45 | 10.02 | 3.34 | ||
| 1,444p和1,600p等 | 視格式而定 | 視格式而定 | 視格式而定 | 30, 36, 48 | 37, 5, 45, 60 | 高達10.2Gbit/s | 高達3.4Gbit/s |
設計人員通常還會發現TMDS時脈速率遠慢於資料或訊號速率，如HDMI 1.3所規定的TMDS時脈速率最高只有340MHz。在每畫素24位元的標準色彩深度下，每一畫素必須透過TMDS訊號對傳送30個位元的編碼資料。這表示每個TMDS通道都要在1個系統時脈週期內傳送10位元資料，亦即時脈和資料速率等於系統TMDS時脈速率的十倍。另外，時脈速率還要隨著色彩深度的增加而提高，以便為每一畫素傳送更多編碼位元。總而言之，HDMI的操作速度是由傳送器和接收器的效能以及訊號源的解析度和色彩深度決定。TMDS訊號對的速度最高可達3.4GHz。
時序/效能考量
靜電保護元件會帶來額外的電容和電感，因此在為HDMI系統增加靜電保護功能時，須將這些元件對高速TMDS訊號對的時序影響列入考慮。當TMDS訊號以3.4GHz速率操作時，任何額外增加的線路阻抗都可能造成訊號失真，使得訊號的升起時間和振幅更難達到眼圖(Eye Diagram)要求、電路板設計受到更多限制以及系統層級效能下降。
欲將這些高速線路所受的時序衝擊減至最低，則靜電保護元件須滿足低電容、低插入損耗、電容值不隨頻率改變以及能以3.4GHz操作和提供適當邊界良好布局四大考量。
HDMI的時序效能通常是利用眼圖測量，這種時序分析工具能精確顯示訊號的時序和振幅錯誤。眼圖中央的灰色部分代表HDMI 1.3規格，如果測量得到的圖形越靠近灰色部分，就表示錯誤邊界越少。眼圖的寬度可用來測量資料線路的穩定時間和是否有任何錯誤出現，眼圖的高度則代表訊號強度或振幅。 由於HDMI的TMDS訊號對都是差動訊號，因此差動電容和訊號對地線之間的電容都必須減到最少，才能確保訊號的升起和下降時間符合規格要求。最佳的狀況是這些電容應該愈小愈好，這樣才能盡可能提供設計人員愈大的邊界。
圖1顯示就算在HDMI 1.3所允許的3.4GHz最大速率下操作，此一元件仍能提供很大的上升時間、下降時間和訊號振幅邊界。事實上，若讓這款元件在較低的速度下操作，其眼圖還會「更乾淨」、並提供更大邊界，能進一步減少設計所受的限制。 如圖2矽晶解決方案擁有極大電容。雖然矽晶解決方案常用2.25GHz或1.48GHz的眼圖來顯示其符合36和24位元色彩深度的1,080p視訊規格要求，但眼圖就算在這種速度下，似乎也會跨到代表HDMI 1.3規格的灰色部分，這會讓電路板設計受到更多限制。 |
| 插入損耗是測量訊號如何隨著頻率衰減的一種重要方法。插入損耗越高，就表示元件和系統的頻寬越小，設計也要受到更多限制才能使其眼圖符合要求。 圖3顯示泰科電子的PESD元件就算在HDMI 1.3規格所允許的3.4GHz最大速率下，也幾乎沒有任何插入損耗；相形之下，0.7pF矽晶靜電保護解決方案的頻率響應曲線則經常陡峭下滑，且在36位元色彩深度的1,080p視訊所需的2.25GHz速率下，還可能讓HDMI的TMDS訊號強度減少3dB以上。若在更高解析度和色彩深度的3.4GHz最大速率下，矽晶靜電保護解決方案可能讓訊號衰減超過6dB，等於將訊號振幅減半。
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| 靜電保護元件的電容與頻率關係也會影響HDMI連接埠的設計效能，並使設計受到更多限制。在高速系統裡，針對特定電容值所設計的電路可能會隨著靜電保護技術不同而出現不同的電路行為，迫使設計人員在開發HDMI電路保護機制時，常須採用複雜的SPICE 模型與模擬。 由於HDMI TMDS訊號對的頻率特性會隨著資料樣型(Data Pattern)、視訊源解析度和色彩深度而改變，因此若知道靜電保護元件的電容值在很大的頻率範圍內都能保持穩定，則可在設計電路時擁有更大的空間與彈性。 靜電保護元件的電容值必須在很大的頻率範圍內保持穩定，而不僅是某個特定頻率或很小的頻率範圍。舉例來說，矽晶靜電保護元件通常只會測量1MHz的電容值，至於其他頻率的電容值則多半付之闕如。這可能迫使設計人員進行複雜的模型分析，才能確保其效能符合HDMI寬廣頻率範圍的操作要求。 |
| 和開發所有消費電子產品一樣，HDMI裝置的設計人員也得面對上市時程的挑戰。因此，參考設計對高頻應用產品的開發即扮演一個相當重要角色，因為它能協助將風險、工程成本和重新設計時間減到最少。而為HDMI設計增加靜電保護功能也是如此。 業界採用被動元件的HDMI 1.3靜電保護元件與過電流保護參考設計布局，可協助設計人員將其時間與資源專注於開發更重要且差異化的功能，而不用擔心增加靜電保護功能是否會影響HDMI效能。且此參考設計已通過測試，可於3.4GHz最高速率下達到HDMI 1.3規格要求並提供適當邊界，且能在3.4GHz速率下符合HDMI規格的參考設計布局，不僅對努力開發下一世代電腦螢幕、視訊卡和視訊螢幕的設計人員而言很重要，還能提供電路板設計邊界和放寬設計限制，甚至還能協助較低速的HDMI 1.3應用設計降低電路板成本。 參考設計布局的重要特性包括向下相容HDMI 1.0、1.2等標準；效能通過驗證，符合3.4GHz的HDMI 1.3規格要求；為+5伏特軌電壓提供選擇性的過電流保護(適用於HDMI傳送器)；提供布局設計檔案、PESD SPICE模型、時域反射(TDR)、眼圖和遠端串音測量值等測試結果；協助達到IEC61000-4-2靜電保護標準：空氣間隙為±15,000伏特，接觸放電則為±8,000伏特；利用低電容(0.25pF)PESD元件提供靜電保護；利用nanoSMD為+5伏特軌電壓提供過電流保護；與HDMI測試領導廠商之一的Efficere共同設計與驗證。 |
只要找到適當解決方案，為HDMI系統增加靜電保護並不複雜和困難。雖然現有產品可能毋需HDMI 1.3規格的最大效能3.4GHz，但採用可於3.4GHz速率下工作的靜電保護元件，卻能避免未來重新設計靜電保護機制的風險，進而將設計困擾減到最少、增加系統邊界和協助下一代產品設計。
(本文作者為泰科電子瑞侃電路保護產品電子部通訊系統行銷經理)
