用于HDMI接口的ESD保護(hù)技術(shù)

用于HDMI接口的ESD保護(hù)技術(shù)

最新的HDMI I.3(高清晰度多媒體接口1.3)標(biāo)準(zhǔn)把以前的HDMI 1.0 - 1.2標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的數(shù)據(jù)傳送速度提高了一倍，每對(duì)差動(dòng)信號(hào)線的速度達(dá)到3.4 Gbps。由于數(shù)據(jù)傳送速度這么高，要求電路板的電容小，確保信號(hào)的素質(zhì)很好，這給電路板的設(shè)計(jì)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。在解決這個(gè)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)可靠的靜電放電(ESD)保護(hù)時(shí)，這點(diǎn)尤其重要。在HDMI系統(tǒng)設(shè)計(jì)中增加ESD保護(hù)時(shí)，如果選用合適的辦法，就可以把問(wèn)題簡(jiǎn)化。泰科電子的ESD和過(guò)電流保護(hù)參考設(shè)計(jì)，符合3.4 GHz的HDMI 1.3規(guī)范，達(dá)到IEC 61000-4-2關(guān)于ESD保護(hù)的要求，并且可以優(yōu)化電路板的空間，所有這些可以幫助設(shè)計(jì)人員減少風(fēng)險(xiǎn)。本文探討在HDMI 1.3系統(tǒng)中設(shè)計(jì)ESD保護(hù)的要求和容易犯的錯(cuò)誤。

概述

在高清晰度視頻系統(tǒng)中增加ESD保護(hù)，提出了許多復(fù)雜而且令人為難的問(wèn)題，這會(huì)增加成本，會(huì)延長(zhǎng)產(chǎn)品上市的時(shí)間。人們?cè)谶x擇ESD保護(hù)方案時(shí)，往往是根據(jù)解決這個(gè)問(wèn)題的辦法實(shí)現(xiàn)起來(lái)是否容易。不過(guò)，最簡(jiǎn)單的辦法也許不可能提供充分的ESD保護(hù)，或者在電路板上占用的空間不能讓人最滿意。有些時(shí)候，在開(kāi)始時(shí)看上去是解決ESD保護(hù)問(wèn)題的最好辦法，到了后來(lái)，會(huì)發(fā)現(xiàn)需要使用多種電路板材來(lái)保證時(shí)基信號(hào)達(dá)到要求。在實(shí)現(xiàn)一個(gè)充分的靜電放電保護(hù)時(shí)，往往需要在尺寸、靜電放電保護(hù)的性能以及實(shí)現(xiàn)起來(lái)是否容易這幾方面進(jìn)行折衷。一直到現(xiàn)在仍然是這樣。

本文的目的是討論針對(duì)HDMI 1.3系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一個(gè)可靠的ESD保護(hù)時(shí)，問(wèn)題之所以復(fù)雜的原因──運(yùn)行速度，并且討論設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，在提供充分的靜電放電保護(hù)時(shí)，必須考慮到這些設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

HDMI的速度究竟是多少?

關(guān)于HDMI的速度，有很多說(shuō)法，因而設(shè)計(jì)人員在解決靜電放電問(wèn)題時(shí)很難選擇一個(gè)合適的辦法。人們往往認(rèn)為，按照最新的HDMI標(biāo)準(zhǔn)，也就是HDMI 1.3，在每秒傳送340M個(gè)像素時(shí)，數(shù)據(jù)傳送速率高達(dá)10.2 Gbps。這是系統(tǒng)運(yùn)行速度的精確的說(shuō)法，但是它并不是講過(guò)渡時(shí)間最小的差動(dòng)信號(hào)(TMDS)的傳送速度。為了選出一個(gè)充分的ESD保護(hù)辦法，也一定要考慮到TMDS速度。

在前面講過(guò)，根據(jù)HDMI 1.3規(guī)范，在每秒傳送340 M個(gè)像素時(shí)，系統(tǒng)最快會(huì)工作在10.2Gbps。關(guān)鍵是“最快會(huì)工作在”六個(gè)字。這就是說(shuō)，接口的時(shí)鐘速度會(huì)改變，這決定于連接在它上面的發(fā)送器和接收器工作在視頻的能力。因此，連接到接口上的兩個(gè)設(shè)備的分辨率越高，或者色彩深度越深，時(shí)鐘就越快。HDMI只需要快到能夠傳送所需數(shù)量的像素給顯示設(shè)備(監(jiān)視器、液晶顯示電視機(jī)等等)就可以了。例如，如果高清晰度數(shù)字視盤(DVD)播放器和液晶顯示(LCD)監(jiān)視器在播放1080P格式的高清晰度視頻節(jié)目、顏色深度為48位時(shí)，比起播放480i的標(biāo)準(zhǔn)清晰度DVD節(jié)目，需要處理的信息就更多。

表1是各種分辨率和相應(yīng)的每行像素?cái)?shù)量及每幀行數(shù)。對(duì)于表1中列出的每種顏色深度，都有一個(gè)編碼位數(shù)和它對(duì)應(yīng)，來(lái)傳送每個(gè)像素的顏色。需要從HDMI發(fā)送器傳送到HDMI接收器的數(shù)據(jù)數(shù)量與這些變量有關(guān)，包括每秒刷新顯示屏的幀數(shù)。表2是它們的這個(gè)關(guān)系式：

HDMI 數(shù)據(jù)傳送速度 = X * Y * F * B

其中： X = 每行的像素?cái)?shù)量;Y = 每幀的行數(shù);F = 每秒的幀數(shù);B = 每個(gè)像素的編碼位數(shù)。

表1：不同版本的HDMI支持的分辨率和顏色深度。

表2：HDMI發(fā)送器把數(shù)據(jù)傳送給HDMI接收器的速度。

實(shí)際的HDMI數(shù)據(jù)接口由4對(duì)過(guò)渡過(guò)程最小的差動(dòng)信號(hào)線組成：3路差動(dòng)數(shù)據(jù)通道，一路是時(shí)鐘，每路是一對(duì)差動(dòng)連接線，如圖1所示。

圖1：實(shí)際的HDMI數(shù)據(jù)接口。

如圖1所示，三對(duì)TMDS數(shù)據(jù)線的頻帶要寬到能夠傳送和接收的數(shù)據(jù)速度最高為10.2 Gbps。因此，這三對(duì)TMDS數(shù)據(jù)線一定要能夠以10.2 Gbps/ 3 × 3.4 Gbps(或者GHz)的速度傳送信號(hào)。

為了說(shuō)明每對(duì)實(shí)際的TMDS線的數(shù)據(jù)傳送速度，在表3中把表2中的信息和每一對(duì)TMDS數(shù)據(jù)線的速度以及對(duì)應(yīng)的信號(hào)時(shí)鐘速度放在一起。

設(shè)計(jì)人員一般也會(huì)注意到，在HDMI 1.3標(biāo)準(zhǔn)中，TMDS時(shí)鐘的速度是340 MHz，比傳送數(shù)據(jù)或者傳送信號(hào)的速度低很多。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的頻色深度，即每個(gè)像素為24位時(shí)，在每對(duì)TMDS數(shù)據(jù)線上傳送的數(shù)據(jù)等于每個(gè)像素的編碼位數(shù)30 位。因此，在三路TMDS通道中，在‘系統(tǒng)’時(shí)鐘的一個(gè)周期內(nèi)，每一路必須傳送10位。所以，信號(hào)的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)速度等于‘系統(tǒng)’的TDMS時(shí)鐘速度的十倍。此外，在顏色深度較深時(shí)，信號(hào)的時(shí)鐘速度較高，以便傳送每個(gè)像素的更多編碼位數(shù)。連接線的數(shù)據(jù)傳送速度、TDMS信號(hào)的速度，以及‘系統(tǒng)’的TDMS 時(shí)鐘速度之間的關(guān)系列于表4。

表3：TDMS傳送信號(hào)的速度與時(shí)鐘的速度。

表4： TMDS傳送信號(hào)的速度和‘系統(tǒng)’的TMDS時(shí)鐘速度。

在這里作一個(gè)小結(jié)：HDMI運(yùn)行的速度取決于發(fā)送器和接收器的能力，以及信號(hào)源的分辨率和顏色深度。每對(duì)TDMS數(shù)據(jù)線的速度最高是3.4 GHz。

在HDMI系統(tǒng)中增加ESD保護(hù)時(shí)在時(shí)基信號(hào)/性能方面的考慮

在HDMI 系統(tǒng)中增加ESD保護(hù)時(shí)，要考慮到增大了的電容和電感對(duì)高速TMDS數(shù)據(jù)線上所用器件的時(shí)基信號(hào)的影響。當(dāng)各對(duì)TMDS數(shù)據(jù)線工作在3.4 GHz時(shí)，在連接線上增加一點(diǎn)點(diǎn)阻抗都會(huì)引起信號(hào)產(chǎn)生畸變，結(jié)果是：

.更難滿足眼圖中對(duì)上升時(shí)間和電平的要求

.對(duì)電路板設(shè)計(jì)的約朿增多

.系統(tǒng)的性能較差

為了減少時(shí)基信號(hào)對(duì)這些高速線路的影響，關(guān)于ESD保護(hù)器件，在技術(shù)上有關(guān)鍵性的四點(diǎn)要考慮到：

電容小

插入損失小

頻率變化時(shí)電容保持穩(wěn)定

做好電路板的設(shè)計(jì)，能在3.4 GHz運(yùn)作，并有余量

1. 電容小

HDMI的時(shí)基信號(hào)的性能一般是通過(guò)眼圖來(lái)測(cè)定的──眼圖是分析時(shí)基信號(hào)的工具，它能夠精確地顯示時(shí)基信號(hào)和電平的誤差。在眼圖中間的灰色地帶代表HDMI 1.3規(guī)范的要求。隨著眼圖中的線條接近灰色地帶，允許的誤差余量就越小。利用眼晴的寬度可以很好地測(cè)定數(shù)據(jù)線的時(shí)基穩(wěn)定程度，而且可以看到是否存在誤差。眼晴的高度表示信號(hào)的電平，或者振幅。

由于?HDMI的各對(duì)TMDS連接線路上的信號(hào)是差動(dòng)的，很重要的一點(diǎn)是減少兩條線之間的電容和信號(hào)對(duì)地的電容，從而保證信號(hào)的上升時(shí)間和下降時(shí)間在規(guī)定的范圍之內(nèi)。最好是，電容要盡量小，這樣給設(shè)計(jì)人員留下的余地就更大。

泰科電子的PESD的電容是0.25 pF，工作在3.4 GHz時(shí)的眼圖如圖2所示。

圖2：泰科電子的PESD的電容是0.25 pF，圖中是它工作在3.4 GHz時(shí)的眼圖。

在這個(gè)眼圖中我們看到，當(dāng)工作HDMI 1.3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的3.4 GHz時(shí)，上升時(shí)間、下降時(shí)間和信號(hào)電平之間有一定余量。當(dāng)工作較低的速度時(shí)，眼圖“干凈”得多，余量增大，可以放寬設(shè)計(jì)的約朿。

圖3：硅半導(dǎo)體ESD保護(hù)器在2.25 GHz時(shí)的眼圖。

如圖3所示，硅半導(dǎo)體ESD保護(hù)器件的電容大很多。雖然在2.25 GHz或者在1.48 GHz時(shí)，它的眼圖符合1080p的36位和24位顏色深度的要求，但是，即使是在這樣的速度下，它們不符合HDMI 1.3標(biāo)準(zhǔn)的要求。這樣在設(shè)計(jì)電路板時(shí)會(huì)受到約朿。

2. 插入損失小

插入損失很重要，它衡量信號(hào)隨著頻率而產(chǎn)生的衰減。插入損失越大，器件和系統(tǒng)的頻帶就越窄，為了滿足對(duì)眼圖的要求，在設(shè)計(jì)方面，受到的限制就會(huì)增多。

圖4：泰科電子的PESD保護(hù)器件(電容為0.25 pF)與電容為0.7 pF的半導(dǎo)體ESD保護(hù)器件的插入損失。

在圖4中比較了泰科電子的PESD器件和普通的0.7 pF硅半導(dǎo)體ESD保護(hù)器件的插入損失。即使在頻率為3.4 GHz──HDMI 1.3規(guī)定的最高速度時(shí)，泰科電子的PESD器件的插入損失也微乎其微。普通的0.7 pF硅半導(dǎo)體保護(hù)器件在2.25 GHz(顏色深度為36位的1080p格式的速度)時(shí)，明顯地看到曲線下降，對(duì)HDMI TMDS信號(hào)電平的影響超過(guò)3 dB。在3.4 GHz全速時(shí)，分辨率更高、顏色深度深度，這時(shí)，用硅半導(dǎo)體進(jìn)行ESD保護(hù)引起的信號(hào)衰減超過(guò)了6 dB，而信號(hào)電平則下降了超過(guò)一半。

3. 頻率變化時(shí)電容保持穩(wěn)定

ESD保護(hù)器件的電容隨頻率的變化也會(huì)影響HDMI接口的性能，也會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)帶來(lái)限制。在高速系統(tǒng)中，針對(duì)一定電容進(jìn)行的電路設(shè)計(jì)，它的性能與所用的ESD保護(hù)技術(shù)有關(guān)。在制定HDMI電路保護(hù)方案時(shí)，這往往會(huì)迫使設(shè)計(jì)人員去使用復(fù)雜的SPICE模型和模擬的方法。

如果5所示，在頻率變化時(shí)，直到3GHz，泰科電子的PESD器件的電容是穩(wěn)定的。它的性能和電容量為0.25 pF(典型值)的電容器很相似，可以大量地簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。由于HDMI TMDS線路在頻率改變時(shí)的變化取決于數(shù)據(jù)的型式，視頻信號(hào)源的分辨率和顏色深度，設(shè)計(jì)人員如果知道ESD保護(hù)器件在頻率變化很寬的范圍內(nèi)是穩(wěn)定的，那么在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)可以更加靈活，也有更多的空間。

圖5：泰科電子的PESD器件的電容與頻率(頻率最高為3 GHz)的關(guān)系。

要考慮到電容在頻率變化范圍很寬時(shí)的穩(wěn)定程度，而不是在一個(gè)頻率或者狹窄的頻率范圍內(nèi)的穩(wěn)定程度，這點(diǎn)很重要。例如，硅半導(dǎo)體ESD保護(hù)器件通常是測(cè)量頻率為1 MHz時(shí)的電容量，沒(méi)有給出其他頻率的電容量。因此，需要建立復(fù)雜的模型，確保在HDMI的廣闊頻率范圍內(nèi)運(yùn)作時(shí)的性能達(dá)到要求。

4. 做好電路板的設(shè)計(jì)，能在3.4 GHz運(yùn)作，并有余量

HDMI設(shè)備設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)和開(kāi)發(fā)消費(fèi)電子設(shè)備時(shí)所面臨的挑戰(zhàn)是一樣的──上市時(shí)間。在設(shè)計(jì)高頻系統(tǒng)時(shí)，對(duì)于減輕風(fēng)險(xiǎn)、降低制作成本、縮短重新制作所需的時(shí)間，參考設(shè)計(jì)起著關(guān)鍵性的作用。對(duì)于在HDMI設(shè)計(jì)中增加ESD保護(hù)，也不例外。

泰科電子針對(duì)HDMI 1.3、用無(wú)源元件設(shè)計(jì)的ESD和過(guò)電流保護(hù)參考設(shè)計(jì)在產(chǎn)業(yè)界中是第一個(gè)，現(xiàn)在向市場(chǎng)提供。這個(gè)參考設(shè)計(jì)能夠幫助設(shè)計(jì)人員把時(shí)間和資源用在研制重要的、有特色的功能上，不必考慮增加ESD保護(hù)措施后是否會(huì)影響HDMI的性能。

參考設(shè)計(jì)已經(jīng)經(jīng)過(guò)測(cè)試，在最高頻率──?3.4 GHz，它們符合HDMI 1.3標(biāo)準(zhǔn)的要求，并有富裕。有了這樣的參考設(shè)計(jì)，而且它在3.4 GHz符合HDMI規(guī)范的要求，這不僅對(duì)于制造下一代計(jì)算機(jī)監(jiān)視器、視頻卡和視頻顯示屏的設(shè)計(jì)人員是很重要;3.4 GHz設(shè)計(jì)還有很大的余量，可以放寬設(shè)計(jì)中的限制，往往還能夠降低速度較低的HDMI 1.3設(shè)計(jì)的電路板成本。[!--empirenews.page--]

泰科電子的參考設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性特點(diǎn)：

與HDMI 1.0和1.2向后兼容

? 性能經(jīng)過(guò)測(cè)定，在3.4 GHz時(shí)達(dá)到HDMI 1.3標(biāo)準(zhǔn)的要求

包含供+5V電源過(guò)電流保護(hù)(對(duì)HDMI發(fā)送器適用)供選用

電路板設(shè)計(jì)文件，PESD的SPICE模型以及測(cè)試結(jié)果，包括時(shí)域反射圖(TDR)、眼圖和遠(yuǎn)端串音的測(cè)試結(jié)果，如需要可以提供

幫助你通過(guò)IEC 61000-4-2 ESD規(guī)范：±15kV (在空氣中進(jìn)行靜電放電測(cè)試), ±8 kV(接觸放電)

使用泰科電子的低電容(0.25pF)PESD器件實(shí)現(xiàn)ESD保護(hù)

使用泰科電子的nanoSMD器件實(shí)現(xiàn)+5 V電源的過(guò)電流保護(hù)

與在HDMI 測(cè)試夾具方面領(lǐng)先的Efficere公司(www.efficere.com)共同設(shè)計(jì)和確認(rèn)

本文小結(jié)

在設(shè)計(jì)HDMI系統(tǒng)時(shí)，加入ESD保護(hù)不一定是一件復(fù)雜而且令人為難的工作──如果有合適的辦法的話。雖然這一代的設(shè)備也許不需要達(dá)到 HDMI 1.3規(guī)定的3.4 GHz的性能，使用可以工作在3.5 GHz的ESD保護(hù)技術(shù)，能夠減少設(shè)計(jì)中的煩惱，提高系統(tǒng)的余量，而且由于在以后不需要重新設(shè)計(jì)ESD保護(hù)，因而便于實(shí)現(xiàn)下一代設(shè)計(jì)。泰科電子的ESD和過(guò)電流保護(hù)參考設(shè)計(jì)在3.4 GHz時(shí)符合HDMI 1.3規(guī)范，實(shí)現(xiàn)了IEC 61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)要求的ESD保護(hù)，優(yōu)化了電路板的空間，能夠幫助設(shè)計(jì)人員減少設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。