用于HDMI接口的ESD保護技術

最新的HDMI I.3(高清晰度多媒體接口1.3)標準把以前的HDMI 1.0 - 1.2標準所規(guī)定的數(shù)據(jù)傳送速度提高了一倍，每對差動信號線的速度達到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，確保信號的素質(zhì)很好，這給電路板的設計帶來了新的挑戰(zhàn)。在解決這個問題，實現(xiàn)可靠的靜電放電(ESD)保護時，這點尤其重要。在HDMI系統(tǒng)設計中增加ESD保護時，如果選用合適的辦法，就可以把問題簡化。泰科電子的ESD和過電流保護參考設計，符合3.4 GHz的HDMI 1.3規(guī)范，達到IEC 61000-4-2關于ESD保護的要求，并且可以優(yōu)化電路板的空間，所有這些可以幫助設計人員減少風險。本文探討在HDMI 1.3系統(tǒng)中設計ESD保護的要求和容易犯的錯誤。

概述

在高清晰度視頻系統(tǒng)中增加ESD保護，提出了許多復雜而且令人為難的問題，這會增加成本，會延長產(chǎn)品上市的時間。人們在選擇ESD保護方案時，往往是根據(jù)解決這個問題的辦法實現(xiàn)起來是否容易。不過，最簡單的辦法也許不可能提供充分的ESD保護，或者在電路板上占用的空間不能讓人最滿意。有些時候，在開始時看上去是解決ESD保護問題的最好辦法，到了后來，會發(fā)現(xiàn)需要使用多種電路板材來保證時基信號達到要求。在實現(xiàn)一個充分的靜電放電保護時，往往需要在尺寸、靜電放電保護的性能以及實現(xiàn)起來是否容易這幾方面進行折衷。一直到現(xiàn)在仍然是這樣。

本文的目的是討論針對HDMI 1.3系統(tǒng)實現(xiàn)一個可靠的ESD保護時，問題之所以復雜的原因──運行速度，并且討論設計標準，在提供充分的靜電放電保護時，必須考慮到這些設計標準。

HDMI的速度究竟是多少?

關于HDMI的速度，有很多說法，因而設計人員在解決靜電放電問題時很難選擇一個合適的辦法。人們往往認為，按照最新的HDMI標準，也就是HDMI 1.3，在每秒傳送340M個像素時，數(shù)據(jù)傳送速率高達10.2 Gbps。這是系統(tǒng)運行速度的精確的說法，但是它并不是講過渡時間最小的差動信號(TMDS)的傳送速度。為了選出一個充分的ESD保護辦法，也一定要考慮到TMDS速度。

在前面講過，根據(jù)HDMI 1.3規(guī)范，在每秒傳送340 M個像素時，系統(tǒng)最快會工作在10.2Gbps。關鍵是“最快會工作在”六個字。這就是說，接口的時鐘速度會改變，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設備的分辨率越高，或者色彩深度越深，時鐘就越快。HDMI只需要快到能夠傳送所需數(shù)量的像素給顯示設備(監(jiān)視器、液晶顯示電視機等等)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，比起播放480i的標準清晰度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的每行像素數(shù)量及每幀行數(shù)。對于表1中列出的每種顏色深度，都有一個編碼位數(shù)和它對應，來傳送每個像素的顏色。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，包括每秒刷新顯示屏的幀數(shù)。表2是它們的這個關系式：

HDMI 數(shù)據(jù)傳送速度 = X * Y * F * B

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

實際的HDMI數(shù)據(jù)接口由4對過渡過程最小的差動信號線組成：3路差動數(shù)據(jù)通道，一路是時鐘，每路是一對差動連接線，如圖1所示。

圖1：實際的HDMI數(shù)據(jù)接口。

如圖1所示，三對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。

為了說明每對實際的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TMDS數(shù)據(jù)線的速度以及對應的信號時鐘速度放在一起。

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

表3：TDMS傳送信號的速度與時鐘的速度。

表4： TMDS傳送信號的速度和‘系統(tǒng)’的TMDS時鐘速度。

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

在HDMI系統(tǒng)中增加ESD保護時在時基信號/性能方面的考慮

在HDMI 系統(tǒng)中增加ESD保護時，要考慮到增大了的電容和電感對高速TMDS數(shù)據(jù)線上所用器件的時基信號的影響。當各對TMDS數(shù)據(jù)線工作在3.4 GHz時，在連接線上增加一點點阻抗都會引起信號產(chǎn)生畸變，結果是：

.更難滿足眼圖中對上升時間和電平的要求

.對電路板設計的約朿增多

.系統(tǒng)的性能較差

為了減少時基信號對這些高速線路的影響，關于ESD保護器件，在技術上有關鍵性的四點要考慮到：

電容小

插入損失小

頻率變化時電容保持穩(wěn)定

做好電路板的設計，能在3.4 GHz運作，并有余量

1. 電容小

HDMI的時基信號的性能一般是通過眼圖來測定的──眼圖是分析時基信號的工具，它能夠精確地顯示時基信號和電平的誤差。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定數(shù)據(jù)線的時基穩(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的電平，或者振幅。

由于?HDMI的各對TMDS連接線路上的信號是差動的，很重要的一點是減少兩條線之間的電容和信號對地的電容，從而保證信號的上升時間和下降時間在規(guī)定的范圍之內(nèi)。最好是，電容要盡量小，這樣給設計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時的眼圖。

在這個眼圖中我們看到，當工作HDMI 1.3標準規(guī)定的3.4 GHz時，上升時間、下降時間和信號電平之間有一定余量。當工作較低的速度時，眼圖“干凈”得多，余量增大，可以放寬設計的約朿。

圖3：硅半導體ESD保護器在2.25 GHz時的眼圖。

如圖3所示，硅半導體ESD保護器件的電容大很多。雖然在2.25 GHz或者在1.48 GHz時，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標準的要求。這樣在設計電路板時會受到約朿。

2. 插入損失小

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

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

在圖4中比較了泰科電子的PESD器件和普通的0.7 pF硅半導體ESD保護器件的插入損失。即使在頻率為3.4 GHz──HDMI 1.3規(guī)定的最高速度時，泰科電子的PESD器件的插入損失也微乎其微。普通的0.7 pF硅半導體保護器件在2.25 GHz(顏色深度為36位的1080p格式的速度)時，明顯地看到曲線下降，對HDMI TMDS信號電平的影響超過3 dB。在3.4 GHz全速時，分辨率更高、顏色深度深度，這時，用硅半導體進行ESD保護引起的信號衰減超過了6 dB，而信號電平則下降了超過一半。

3. 頻率變化時電容保持穩(wěn)定

ESD保護器件的電容隨頻率的變化也會影響HDMI接口的性能，也會對設計帶來限制。在高速系統(tǒng)中，針對一定電容進行的電路設計，它的性能與所用的ESD保護技術有關。在制定HDMI電路保護方案時，這往往會迫使設計人員去使用復雜的SPICE模型和模擬的方法。

如果5所示，在頻率變化時，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，可以大量地簡化設計。由于HDMI TMDS線路在頻率改變時的變化取決于數(shù)據(jù)的型式，視頻信號源的分辨率和顏色深度，設計人員如果知道ESD保護器件在頻率變化很寬的范圍內(nèi)是穩(wěn)定的，那么在進行設計時可以更加靈活，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)的關系。

要考慮到電容在頻率變化范圍很寬時的穩(wěn)定程度，而不是在一個頻率或者狹窄的頻率范圍內(nèi)的穩(wěn)定程度，這點很重要。例如，硅半導體ESD保護器件通常是測量頻率為1 MHz時的電容量，沒有給出其他頻率的電容量。因此，需要建立復雜的模型，確保在HDMI的廣闊頻率范圍內(nèi)運作時的性能達到要求。

4. 做好電路板的設計，能在3.4 GHz運作，并有余量

HDMI設備設計人員面臨的挑戰(zhàn)和開發(fā)消費電子設備時所面臨的挑戰(zhàn)是一樣的──上市時間。在設計高頻系統(tǒng)時，對于減輕風險、降低制作成本、縮短重新制作所需的時間，參考設計起著關鍵性的作用。對于在HDMI設計中增加ESD保護，也不例外。

泰科電子針對HDMI 1.3、用無源元件設計的ESD和過電流保護參考設計在產(chǎn)業(yè)界中是第一個，現(xiàn)在向市場提供。這個參考設計能夠幫助設計人員把時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保護措施后是否會影響HDMI的性能。

參考設計已經(jīng)經(jīng)過測試，在最高頻率──?3.4 GHz，它們符合HDMI 1.3標準的要求，并有富裕。有了這樣的參考設計，而且它在3.4 GHz符合HDMI規(guī)范的要求，這不僅對于制造下一代計算機監(jiān)視器、視頻卡和視頻顯示屏的設計人員是很重要;3.4 GHz設計還有很大的余量，可以放寬設計中的限制，往往還能夠降低速度較低的HDMI 1.3設計的電路板成本。[!--empirenews.page--]

泰科電子的參考設計的關鍵性特點：

與HDMI 1.0和1.2向后兼容

? 性能經(jīng)過測定，在3.4 GHz時達到HDMI 1.3標準的要求

包含供+5V電源過電流保護(對HDMI發(fā)送器適用)供選用

電路板設計文件，PESD的SPICE模型以及測試結果，包括時域反射圖(TDR)、眼圖和遠端串音的測試結果，如需要可以提供

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

使用泰科電子的低電容(0.25pF)PESD器件實現(xiàn)ESD保護

使用泰科電子的nanoSMD器件實現(xiàn)+5 V電源的過電流保護

與在HDMI 測試夾具方面領先的Efficere公司(www.efficere.com)共同設計和確認

本文小結

在設計HDMI系統(tǒng)時，加入ESD保護不一定是一件復雜而且令人為難的工作──如果有合適的辦法的話。雖然這一代的設備也許不需要達到 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保護技術，能夠減少設計中的煩惱，提高系統(tǒng)的余量，而且由于在以后不需要重新設計ESD保護，因而便于實現(xiàn)下一代設計。泰科電子的ESD和過電流保護參考設計在3.4 GHz時符合HDMI 1.3規(guī)范，實現(xiàn)了IEC 61000-4-2標準要求的ESD保護，優(yōu)化了電路板的空間，能夠幫助設計人員減少設計風險。