原创 用于HDMI接口的ESD保护技术

用于HDMI接口的ESD保护技术

最新的HDMI I.3(高清晰度多媒体接口1.3)标准把以前的HDMI 1.0 - 1.2标准所规定的数据传送速度提高了一倍，每对差动信号线的速度达到3.4 Gbps。由于数据传送速度这么高，要求电路板的电容小，确保信号的素质很好，这给电路板的设计带来了新的挑战。在解决这个问题，实现可靠的静电放电(ESD)保护时，这点尤其重要。在HDMI系统设计中增加ESD保护时，如果选用合适的办法，就可以把问题简化。泰科电子的ESD和过电流保护参考设计，符合3.4 GHz的HDMI 1.3规范，达到IEC 61000-4-2关于ESD保护的要求，并且可以优化电路板的空间，所有这些可以帮助设计人员减少风险。本文探讨在HDMI 1.3系统中设计ESD保护的要求和容易犯的错误。

概述

在高清晰度视频系统中增加ESD保护，提出了许多复杂而且令人为难的问题，这会增加成本，会延长产品上市的时间。人们在选择ESD保护方案时，往往是根据解决这个问题的办法实现起来是否容易。不过，最简单的办法也许不可能提供充分的ESD保护，或者在电路板上占用的空间不能让人最满意。有些时候，在开始时看上去是解决ESD保护问题的最好办法，到了后来，会发现需要使用多种电路板材来保证时基信号达到要求。在实现一个充分的静电放电保护时，往往需要在尺寸、静电放电保护的性能以及实现起来是否容易这几方面进行折衷。一直到现在仍然是这样。

本文的目的是讨论针对HDMI 1.3系统实现一个可靠的ESD保护时，问题之所以复杂的原因──运行速度，并且讨论设计标准，在提供充分的静电放电保护时，必须考虑到这些设计标准。

HDMI的速度究竟是多少?

关于HDMI的速度，有很多说法，因而设计人员在解决静电放电问题时很难选择一个合适的办法。人们往往认为，按照最新的HDMI标准，也就是HDMI 1.3，在每秒传送340M个像素时，数据传送速率高达10.2 Gbps。这是系统运行速度的精确的说法，但是它并不是讲过渡时间最小的差动信号(TMDS)的传送速度。为了选出一个充分的ESD保护办法，也一定要考虑到TMDS速度。

在前面讲过，根据HDMI 1.3规范，在每秒传送340 M个像素时，系统最快会工作在10.2Gbps。关键是“最快会工作在”六个字。这就是说，接口的时钟速度会改变，这决定于连接在它上面的发送器和接收器工作在视频的能力。因此，连接到接口上的两个设备的分辨率越高，或者色彩深度越深，时钟就越快。HDMI只需要快到能够传送所需数量的像素给显示设备(监视器、液晶显示电视机等等)就可以了。例如，如果高清晰度数字视盘(DVD)播放器和液晶显示(LCD)监视器在播放1080P格式的高清晰度视频节目、颜色深度为48位时，比起播放480i的标准清晰度DVD节目，需要处理的信息就更多。

表1是各种分辨率和相应的每行像素数量及每帧行数。对于表1中列出的每种颜色深度，都有一个编码位数和它对应，来传送每个像素的颜色。需要从HDMI发送器传送到HDMI接收器的数据数量与这些变量有关，包括每秒刷新显示屏的帧数。表2是它们的这个关系式：

HDMI 数据传送速度 = X * Y * F * B

其中： X = 每行的像素数量;Y = 每帧的行数;F = 每秒的帧数;B = 每个像素的编码位数。

表1：不同版本的HDMI支持的分辨率和颜色深度。

表2：HDMI发送器把数据传送给HDMI接收器的速度。

实际的HDMI数据接口由4对过渡过程最小的差动信号线组成：3路差动数据通道，一路是时钟，每路是一对差动连接线，如图1所示。

图1：实际的HDMI数据接口。

如图1所示，三对TMDS数据线的频带要宽到能够传送和接收的数据速度最高为10.2 Gbps。因此，这三对TMDS数据线一定要能够以10.2 Gbps/ 3 × 3.4 Gbps(或者GHz)的速度传送信号。

为了说明每对实际的TMDS线的数据传送速度，在表3中把表2中的信息和每一对TMDS数据线的速度以及对应的信号时钟速度放在一起。

设计人员一般也会注意到，在HDMI 1.3标准中，TMDS时钟的速度是340 MHz，比传送数据或者传送信号的速度低很多。对于标准的频色深度，即每个像素为24位时，在每对TMDS数据线上传送的数据等于每个像素的编码位数30 位。因此，在三路TMDS通道中，在‘系统’时钟的一个周期内，每一路必须传送10位。所以，信号的时钟和数据速度等于‘系统’的TDMS时钟速度的十倍。此外，在颜色深度较深时，信号的时钟速度较高，以便传送每个像素的更多编码位数。连接线的数据传送速度、TDMS信号的速度，以及‘系统’的TDMS 时钟速度之间的关系列于表4。

表3：TDMS传送信号的速度与时钟的速度。

表4： TMDS传送信号的速度和‘系统’的TMDS时钟速度。

在这里作一个小结：HDMI运行的速度取决于发送器和接收器的能力，以及信号源的分辨率和颜色深度。每对TDMS数据线的速度最高是3.4 GHz。

在HDMI系统中增加ESD保护时在时基信号/性能方面的考虑在HDMI 系统中增加ESD保护时，要考虑到增大了的电容和电感对高速TMDS数据线上所用器件的时基信号的影响。当各对TMDS数据线工作在3.4 GHz时，在连接线上增加一点点阻抗都会引起信号产生畸变，结果是：

.更难满足眼图中对上升时间和电平的要求

.对电路板设计的约朿增多

.系统的性能较差

为了减少时基信号对这些高速线路的影响，关于ESD保护器件，在技术上有关键性的四点要考虑到：

电容小

插入损失小

频率变化时电容保持稳定

做好电路板的设计，能在3.4 GHz运作，并有余量

1. 电容小

HDMI的时基信号的性能一般是通过眼图来测定的──眼图是分析时基信号的工具，它能够精确地显示时基信号和电平的误差。在眼图中间的灰色地带代表HDMI 1.3规范的要求。随着眼图中的线条接近灰色地带，允许的误差余量就越小。利用眼晴的宽度可以很好地测定数据线的时基稳定程度，而且可以看到是否存在误差。眼晴的高度表示信号的电平，或者振幅。

由于?HDMI的各对TMDS连接线路上的信号是差动的，很重要的一点是减少两条线之间的电容和信号对地的电容，从而保证信号的上升时间和下降时间在规定的范围之内。最好是，电容要尽量小，这样给设计人员留下的余地就更大。

泰科电子的PESD的电容是0.25 pF，工作在3.4 GHz时的眼图如图2所示。

图2：泰科电子的PESD的电容是0.25 pF，图中是它工作在3.4 GHz时的眼图。

在这个眼图中我们看到，当工作HDMI 1.3标准规定的3.4 GHz时，上升时间、下降时间和信号电平之间有一定余量。当工作较低的速度时，眼图“干凈”得多，余量增大，可以放宽设计的约朿。

图3：硅半导体ESD保护器在2.25 GHz时的眼图。

如图3所示，硅半导体ESD保护器件的电容大很多。虽然在2.25 GHz或者在1.48 GHz时，它的眼图符合1080p的36位和24位颜色深度的要求，但是，即使是在这样的速度下，它们不符合HDMI 1.3标准的要求。这样在设计电路板时会受到约朿。

2. 插入损失小

插入损失很重要，它衡量信号随着频率而产生的衰减。插入损失越大，器件和系统的频带就越窄，为了满足对眼图的要求，在设计方面，受到的限制就会增多。

图4：泰科电子的PESD保护器件(电容为0.25 pF)与电容为0.7 pF的半导体ESD保护器件的插入损失。

在图4中比较了泰科电子的PESD器件和普通的0.7 pF硅半导体ESD保护器件的插入损失。即使在频率为3.4 GHz──HDMI 1.3规定的最高速度时，泰科电子的PESD器件的插入损失也微乎其微。普通的0.7 pF硅半导体保护器件在2.25 GHz(颜色深度为36位的1080p格式的速度)时，明显地看到曲线下降，对HDMI TMDS信号电平的影响超过3 dB。在3.4 GHz全速时，分辨率更高、颜色深度深度，这时，用硅半导体进行ESD保护引起的信号衰减超过了6 dB，而信号电平则下降了超过一半。

3. 频率变化时电容保持稳定

ESD保护器件的电容随频率的变化也会影响HDMI接口的性能，也会对设计带来限制。在高速系统中，针对一定电容进行的电路设计，它的性能与所用的ESD保护技术有关。在制定HDMI电路保护方案时，这往往会迫使设计人员去使用复杂的SPICE模型和模拟的方法。

如果5所示，在频率变化时，直到3GHz，泰科电子的PESD器件的电容是稳定的。它的性能和电容量为0.25 pF(典型值)的电容器很相似，可以大量地简化设计。由于HDMI TMDS线路在频率改变时的变化取决于数据的型式，视频信号源的分辨率和颜色深度，设计人员如果知道ESD保护器件在频率变化很宽的范围内是稳定的，那么在进行设计时可以更加灵活，也有更多的空间。

图5：泰科电子的PESD器件的电容与频率(频率最高为3 GHz)的关系。

要考虑到电容在频率变化范围很宽时的稳定程度，而不是在一个频率或者狭窄的频率范围内的稳定程度，这点很重要。例如，硅半导体ESD保护器件通常是测量频率为1 MHz时的电容量，没有给出其他频率的电容量。因此，需要建立复杂的模型，确保在HDMI的广阔频率范围内运作时的性能达到要求。

4. 做好电路板的设计，能在3.4 GHz运作，并有余量

HDMI设备设计人员面临的挑战和开发消费电子设备时所面临的挑战是一样的──上市时间。在设计高频系统时，对于减轻风险、降低制作成本、缩短重新制作所需的时间，参考设计起着关键性的作用。对于在HDMI设计中增加ESD保护，也不例外。

泰科电子针对HDMI 1.3、用无源元件设计的ESD和过电流保护参考设计在产业界中是第一个，现在向市场提供。这个参考设计能够帮助设计人员把时间和资源用在研制重要的、有特色的功能上，不必考虑增加ESD保护措施后是否会影响HDMI的性能。

参考设计已经经过测试，在最高频率──?3.4 GHz，它们符合HDMI 1.3标准的要求，并有富裕。有了这样的参考设计，而且它在3.4 GHz符合HDMI规范的要求，这不仅对于制造下一代计算机监视器、视频卡和视频显示屏的设计人员是很重要;3.4 GHz设计还有很大的余量，可以放宽设计中的限制，往往还能够降低速度较低的HDMI 1.3设计的电路板成本。