高解析度面板MIPI C-PHY的ESD防護方案

平板電腦顯示面板的設計趨勢 --- 追求高解析度與高幀率平板電腦顯示面板的設計趨勢 --- 追求高解析度與高幀率

隨著近年資訊科技的蓬勃發展，平板電腦對於消費者的定位已漸漸從「螢幕較大的手機」轉變為「便於攜帶的電腦」，並且除了娛樂用途之外，也有許多使用者將平板電腦視為可提升工作效能的生財工具，也因此對於平板電腦的規格要求也越來越高。而其中由於繪圖及影片製作與觀看的便利性，是否附帶高解析度高幀率的顯示面板亦成為消費者選擇平板電腦時的重要指標，也因此連帶影響各面板設計者需要針對面板的解析度規格進行優化。

AR, VR 顯示面板的規格需求

AR與VR裝置做為實現元宇宙構想的重要硬體配備，雖然其面板模組的尺寸較為窄小，不過因為在實際應用上距離使用者的眼球相當接近，使用者可以較有感的分辨出顯示解析度的高低。為提供使用者更寫實的體驗環境，即便在相當小的面板模組中都必須設計並具備相當高的解析度，在僅有2吋大小的面板中達到2K甚至更高的解析度規格亦已相當常見。

MIPI C-PHY --- 嶄新並支援高解析度的Display傳輸介面

而平板電腦與AR, VR裝置所使用的面板在影像傳輸介面上仍以MIPI聯盟所訂定的實體層MIPI DSI (Display Serial Interface)為主流。在MIPI DSI規格推出後，MIPI D-PHY相較於傳統LVDS具備了更高的資料傳輸量以及更少的配線數，受惠於這兩項重點規格優勢的MIPI D-PHY很快地取代了傳統LVDS，成為小尺寸面板驅動最主要的通訊介面。

而隨著上述中所提，因應近年平板電腦與AR, VR裝置對於解析度規格的日益提升，MIPI D-PHY的最大資料傳輸量亦漸漸不敷使用，也因此MIPI聯盟也提出了更新的MIPI DSI實體層C-PHY以提供更優化的傳輸介面，並優化高階顯示面板的傳輸介面以實現高解析度與高幀率的規格。

不同於以往傳動高速差動對的傳輸架構，MIPI C-PHY採用特殊的3 phase encoding技術並將時序控制整合進High-speed Data Line中，有別於MIPI D-PHY 8條高速差動對與2條時序控制訊號的配置，MIPI C-PHY以3條線為一對，總共3對9條傳輸線的方式實現了實體層的硬體架構。相較MIPI D-PHY雖然少了一條傳輸線，但卻提高了最高可支援的傳輸速度至17.1Gbps，圖1可參考MIPI D-PHY與C-PHY硬體規格的比較。

圖1. MIPI D-PHY與MIPI C-PHY的規格比較

面板模組於ESD測試驗證上的挑戰

因應面板模組於產線功能驗證及組裝時皆會遭遇相當頻繁的線材插拔，也因此會暴露於較高的ESD破壞風險之中，促使各面板設計廠商在設計階段時往往會以嚴苛的ESD測試方式來確保其ESD耐受能力。靜電測試上除了針對面板外殼所進行的Contact與Air discharge之外，有些品牌廠商亦會要求針對FPC connector的各個訊號及Power線施加Direct Pin Injection的測試，以確保在線材的插拔時遭遇Cable Discharge Event的狀況下仍可確保不致損毀。

面板模組於ESD Direct Pin Injection測試時，若未做好足夠的ESD防護對策，時常會致使面板的損毀而導致無法恢復的黑屏異常。然而，ESD導致面板損壞的原因不一定都來自於面板驅動IC的損毀，更多的時候是因為連接FPC與驅動IC之間的異方性導電膜(ACF)遭到鎔斷而導致面板驅動訊號無法正常傳至驅動IC。即使這種失效模式可以藉由雷射Re-bonding來修復，如何避免ACF與Display Driver IC再遭受ESD能量損毀，仍然會是面板設計工程師需要嚴肅面對的課題。

Amazing Optimized ESD Protection Solution for MIPI C-PHY --- AZ1253-03F.

為確保提供面板ACF與Display Driver IC良好的ESD保護方案，晶焱科技針對MIPI C-PHY 3-phase symbol encoding的特殊應用設計開發出業界第一個3通道TVS solution --- AZ1253-03F，規格簡介如下:

Package: DFN2010P5E (3 channels)

Directivity: Uni-Direction

Reverse Stand-off Voltage: 3.3V

Capacitance: 0.5pF

ESD Clamping Voltage @8kV: 8.5V

IEC61000-4-2 System ESD: 25kV (Contact), 27kV (Air)

Surge Ipp (8/20µs): 8A

由於目前主流的多通道TVS Solution皆是為了differential pair而設計偶數pair，因此無法適用於MIPI C-PHY的應用上，也導致設計工程師再挑選MIPI C-PHY的ESD保護方案時只能選擇單通道的保護元件。而AZ1253-03F採用三通道的特殊設計，並且為匹配MIPI C-PHY的Connector pin define而採用Center GND pin的架構，可以確保PCB Layout時能以順直線(Feed through)的方式來提供更簡化的佈線設計。AZ1253-03F於MIPI C-PHY的Layout佈線可以參考下圖2。

圖2. AZ1253-03F於MIPI C-PHY的佈線設計參考

為了同時考量到MIPI C-PHY高速訊號的訊號完整度，以及面板應用於產線偶發的EOS失效問題，AZ1253-03F在規格設計上僅有0.5pF的寄生電容，並且確保了Surge Robustness Ipp (8/20µs)高達8A以降低產線EOS的不良率。此外，為了通過面板嚴苛的ESD Direct Pin Injection，AZ1253-03F的ESD Clamping Voltage僅有8.5V @8kV，以確保ACF以及Display Driver IC於ESD衝擊時仍能受到良好的保護，AZ1253-03F的ESD Clamping Voltage請參考下圖3。

圖3. AZ1253-03F TLP特性曲線

由於消費者對於平板電腦以及AR, VR裝置追求更高解析度及高幀率的需求，也推動了面板模組設計廠商必須將驅動介面由MIPI D-PHY轉變成傳輸速度更高的MIPI C-PHY。藉由AZ1253-03F針對MIPI C-PHY所需之各項規格量身訂作的特殊設計，能提供市場上愈來越多需求的高解析度面板更強的系統級ESD耐受能力以及避免遭受EOS破壞而導致的不良返修，並同時能更簡化MIPI C-PHY的硬體佈線設計，藉此解決面板設計工程師們於設計階段時可能遇到的兩難處境，加快產品導入市場的時程。