用于HDMI接口的ESD保護技術

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標準所規定的數據傳送速度提高了一倍，每對差動信號線的速度達到3.4 Gbps。由于數據傳送速度這么高，要求電路板的電容小，確保信號的素質很好，這給電路板的設計帶來了新的挑戰。在解決這個問題，實現可靠的靜電放電（ESD）保護時，這點尤其重要。在HDMI系統設計中增加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規范，達到IEC 61000-4-2關于ESD保護的要求，并且可以優化電路板的空間，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，會延長產品上市的時間。人們在選擇ESD保護方案時，往往是根據解決這個問題的辦法實現起來是否容易。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，會發現需要使用多種電路板材來保證時基信號達到要求。在實現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起來是否容易這幾方面進行折衷。一直到現在仍然是這樣。

本文的目的是討論針對HDMI 1.3系統實現一個可靠的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，數據傳送速率高達10.2 Gbps。這是系統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HDMI 1.3規范，在每秒傳送340 M個像素時，系統最快會工作在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量的像素給顯示設備（監視器、液晶顯示電視機等等）就可以了。例如，如果高清晰度數字視盤（DVD）播放器和液晶顯示（LCD）監視器在播放1080P格式的高清晰度視頻節目、顏色深度為48位時，比起播放480i的標準清晰度DVD節目，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量及每幀行數。對于表1中列出的每種顏色深度，都有一個編碼位數和它對應，來傳送每個像素的顏色。需要從HDMI發送器傳送到HDMI接收器的數據數量與這些變量有關，包括每秒刷新顯示屏的幀數。表2是它們的這個關系式：

HDMI 數據傳送速度 = X * Y * F * B

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

表1：不同版本的HDMI支持的分辨率和顏色深度。

表2：HDMI發送器把數據傳送給HDMI接收器的速度。

實際的HDMI數據接口由4對過渡過程最小的差動信號線組成：3路差動數據通道，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數據接口。
如圖1所示，三對TMDS數據線的頻帶要寬到能夠傳送和接收的數據速度最高為10.2 Gbps。因此，這三對TMDS數據線一定要能夠以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線的數據傳送速度，在表3中把表2中的信息和每一對TMDS數據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，比傳送數據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數據線上傳送的數據等于每個像素的編碼位數30位。因此，在三路TMDS通道中，在‘系統’時鐘的一個周期內，每一路必須傳送10位。所以，信號的時鐘和數據速度等于‘系統’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。連接線的數據傳送速度、TDMS信號的速度，以及‘系統’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’的TMDS時鐘速度。

在這里作一個小結：HDMI運行的速度取決于發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數據線的速度最高是3.4 GHz。

在HDMI系統中增加ESD保護時在時基信號/性能方面的考慮

在HDMI 系統中增加ESD保護時，要考慮到增大了的電容和電感對高速TMDS數據線上所用器件的時基信號的影響。當各對TMDS數據線工作在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據線的時基穩定程度，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定的范圍之內。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生的衰減。插入損失越大，器件和系統的頻帶就越窄，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據的型式，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是穩定的，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定程度，而不是在一個頻率或者狹窄的頻率范圍內的穩定程度，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和開發消費電子設備時所面臨的挑戰是一樣的──上市時間。在設計高頻系統時，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業界中是第一個，現在向市場提供。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。

參考設計已經經過測試，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規范的要求，這不僅對于制造下一代計算機監視器、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。

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ESD保護
使用泰科電子的nanoSMD器件實現+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規范，實現了IEC 61000-4-2標準要求的ESD保護，優化了電路板的空間，能夠幫助設計人員減少設計風險。