- HDMI的運(yùn)行速度究竟是多少
- HDMI系統(tǒng)添加ESD保護(hù)時(shí)應(yīng)註意的時(shí)序和性能問題
- TE電路保護(hù)的參考設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)
不以犧牲性能為前提的HDMI靜電放電保護(hù)
為HDMI添加靜電放電保護(hù)，即使在3.4GHz下，也會(huì)變得更為容易
摘要
最新的高清晰度多媒體接口(HDMI)1.3標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)速率達(dá)到了3.4Gbps，是以前HDMI1.0 - 1.2標(biāo)準(zhǔn)的兩倍。更高的數(shù)據(jù)傳輸速率為設(shè)計(jì)具有低電容且能保證足夠的信號(hào)完整性的穩(wěn)定電路板帶來了新的挑戰(zhàn)。尤其對(duì)實(shí)施強(qiáng)大的靜電放電(ESD)保護(hù)解決方案尤為重要。通過選擇合適的解決方案可以簡化HDMI系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的ESD保護(hù)。TE電路保護(hù)的ESD和過電流保護(hù)參考設(shè)計(jì)符合HDMI1.3在3.4GHz條件下的規(guī)范，滿足IEC61000-4-2關(guān)於ESD保護(hù)規(guī)范的要求，優(yōu)化電路板空間，所有這些都有助於最大程度地減少設(shè)計(jì)人員的風(fēng)險(xiǎn)。本文探討了在HDMI1.3系統(tǒng)中設(shè)計(jì)ESD保護(hù)的要求和缺陷。
概述
在高清晰度視頻系統(tǒng)中添加ESD保護(hù)引發(fā)了許多可能增加成本和上市時(shí)間的復(fù)雜且令人睏惑的問題。通常會(huì)基於解決方案看起來是否易於實(shí)施而做出選擇；然而，最簡單的方法可能無法提供足夠的ESD保護(hù)性能或最佳的電路板占用空間。在其他一些情況下，那些在一開始似乎是最好的ESD保護(hù)解決方案，后來發(fā)現(xiàn)需要多次電路板繞線來確保滿足適當(dāng)?shù)臅r(shí)序。提供充分的保護(hù)通常意味著要在尺寸、ESD保護(hù)性能和實(shí)施的便利性之間做出權(quán)衡。直到現(xiàn)在為止一直都是。
本文的目的是要討論為HDMI1.3系統(tǒng)實(shí)施強(qiáng)大的ESD保護(hù)的復(fù)雜性主要成因-運(yùn)行速度，以及提供充分保護(hù)所必須考慮的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。
HDMI的運(yùn)行速度究竟是多少？
HDMI速度的反映方式有多種，因此設(shè)計(jì)人員很難選擇適當(dāng)?shù)腅SD解決方案。最新的HDMI標(biāo)準(zhǔn)，HDMI1.3的運(yùn)行速度通常被定為在340 Mpixels/s下高達(dá)10.2Gbps。這是對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行速度的準(zhǔn)確描述，但是沒有對(duì)最小化差分信號(hào)傳輸(TMDS)的速度進(jìn)行描述。TMDS的速度也必須加以考慮，以選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)腅SD保護(hù)解決方案。
如前所述，按照HDMI1.3規(guī)范，系統(tǒng)運(yùn)行速度在340Mpixels/s下高達(dá)10.2Gbps。關(guān)鍵詞是“運(yùn)行速度高達(dá)”。這僅僅意味著接口會(huì)根據(jù)所連接的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的視頻功能而改變其時(shí)鐘頻率。因此，這兩個(gè)連接設(shè)備的分辨率或色彩深度越高，時(shí)鐘頻率就會(huì)越高。HDMI僅需要在足以傳輸所需的像素量的速度下運(yùn)行，以驅(qū)動(dòng)顯示設(shè)備(顯示器、液晶電視等)。例如，如果一臺(tái)高清晰度數(shù)字視頻光盤(DVD)播放器和液晶顯示器(LCD)在播放高清晰度視頻時(shí)以48位色彩深度的1080P全屏運(yùn)行，將會(huì)比播放480i標(biāo)準(zhǔn)清晰度的DVD時(shí)需要處理更多的信息。
表1顯示了每種分辨率和相應(yīng)的每行像素和每幀行數(shù)。對(duì)於表1列出的每一個(gè)色深，都有一個(gè)相應(yīng)的為每個(gè)像素顏色而傳輸?shù)木幋a比特?cái)?shù)。需要從HDMI發(fā)射器發(fā)送至HDMI接收器的數(shù)據(jù)量可以被解釋為這些變量之間的關(guān)係，包括更新屏幕所需的幀數(shù)。表2描述了這種關(guān)係：
HDMI數(shù)據(jù)傳輸速率=X*Y*F*B
其中： X=每行像素?cái)?shù)
Y=每幀行數(shù)
F=每秒幀數(shù)
B=每像素編碼比特?cái)?shù)
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HDMI的物理數(shù)據(jù)接口包含四個(gè)最小化差分信號(hào)傳輸(TMDS)對(duì)：三個(gè)數(shù)據(jù)差分對(duì)通道和一個(gè)時(shí)鐘差分對(duì)通道，如圖1所描述。
如圖1所示，三個(gè)TDMS對(duì)需要能夠發(fā)送和接收高達(dá)10.2Gbps的帶寬。因此，三個(gè)TMDS信號(hào)對(duì)每一個(gè)都必須能在10.2Gbps/3=3.4Gbps(或GHz)下進(jìn)行信號(hào)通訊。
為了說明鏈路數(shù)據(jù)速率和物理TMDS對(duì)之間的關(guān)係，表3結(jié)合了表2中的信息與TMDS對(duì)信號(hào)速度，以及相應(yīng)的信號(hào)時(shí)鐘速度。
設(shè)計(jì)人員通常也註意到HDMI1.3規(guī)范指定的340MHz TMDS時(shí)鐘速率比數(shù)據(jù)或信號(hào)速率要慢的多。在標(biāo)準(zhǔn)的24位/像素的色彩深度下，通過TMDS對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)等同於每像素30比特的編碼數(shù)。因此，三個(gè)TMDS通道的每一個(gè)通道都必須在一個(gè)“系統(tǒng)”時(shí)鐘周期內(nèi)傳輸10比特。
因而信號(hào)時(shí)鐘和數(shù)據(jù)傳輸率相當(dāng)於“系統(tǒng)”TMDS時(shí)鐘速率的十倍。此外，對(duì)於更高的色彩深度，信號(hào)時(shí)鐘速率會(huì)更高，以適應(yīng)傳輸更多每像素編碼比特?cái)?shù)。表4中描述了鏈路數(shù)據(jù)速率、TMDS信號(hào)速率和“系統(tǒng)”TMDS時(shí)鐘速率之間的關(guān)係。
總之，HDMI運(yùn)行的速度取決於發(fā)射器和接收器的功能，以及信號(hào)源的分辨率和色彩深度。 TMDS對(duì)運(yùn)行的速度高達(dá)3.4GHz。
HDMI系統(tǒng)添加ESD保護(hù)時(shí)應(yīng)註意的時(shí)序和性能問題
HDMI系統(tǒng)添加ESD保護(hù)時(shí)，關(guān)鍵要考慮額外的電容和電感對(duì)高速TMDS對(duì)上所保護(hù)設(shè)備時(shí)序的影響。在TMDS對(duì)上以高達(dá)3.4GHz的速度運(yùn)行，線路上任何額外的阻抗都能使信號(hào)失真，導(dǎo)致：
• 滿足上昇時(shí)間和信號(hào)電平所需的眼圖難度更大，
• 在電路板設(shè)計(jì)上限制增加，且
• 系統(tǒng)級(jí)性能更低
為了盡量減少對(duì)這些高速線時(shí)序的影響，關(guān)於ESD保護(hù)器件需要做四個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)方面的考慮。
1. 低電容
2. 低插入損耗
3. 穩(wěn)定的電容與頻率關(guān)係
4. 良好的佈局，為3.4GHz運(yùn)行速率提供足夠的裕度
1. 低電容
HDMI的時(shí)序性能通常以眼圖來衡量。眼圖是用來提供時(shí)序和電平誤差的精確直觀顯示的時(shí)序分析工具。眼圖中部的灰色區(qū)域代表了HDMI1.3規(guī)范。當(dāng)眼線延伸至灰色區(qū)域，容錯(cuò)裕量越小。眼寬是度量數(shù)據(jù)線穩(wěn)定的時(shí)間長度的良好工具，如果存在任何錯(cuò)誤。眼高是信號(hào)的水平或幅度的衡量。
由於HDMI的TMDS對(duì)為差分信號(hào)，盡量減少信號(hào)對(duì)之間和信號(hào)對(duì)地電容很重要，以確保信號(hào)的上昇和下降時(shí)間滿足規(guī)范。最佳的方式是，電容應(yīng)盡量低，以使設(shè)計(jì)人員有盡可能多的裕度。
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TE電路保護(hù)的0.25pFPESD保護(hù)器件在3.4GHz速率下運(yùn)行時(shí)的眼圖表現(xiàn)如圖2所示。
該圖顯示了在HDMI1.3規(guī)范規(guī)定的最高速率3.4GHz運(yùn)行時(shí)，信號(hào)的上昇和下降時(shí)間以及信號(hào)電平都有一定的設(shè)計(jì)裕度。當(dāng)以較低速度運(yùn)行時(shí)，眼圖更為“干凈”，并提供更多的裕度，因此緩解了設(shè)計(jì)上的限制。
如圖3所示，硅解決方案具有更高的電容。雖然它們的眼圖通常在2.25GHz或1.48GHz運(yùn)行速度下測量，以符合1080p的36位和24位色彩深度，但是即使是在這些速度下，它們的眼圖也似乎延伸至HDMI1.3規(guī)范。這可能會(huì)導(dǎo)致電路板設(shè)計(jì)上的限制增加。
2. 低插入損耗
插入損耗是信號(hào)衰減隨頻率變化的重要衡量。較高的插入損耗轉(zhuǎn)化為器件和系統(tǒng)中的較低帶寬，增加了額外的設(shè)計(jì)限制以滿足眼圖的水平。
圖4對(duì)TE電路保護(hù)的PESD器件和普通的0.7pF硅靜電放電保護(hù)解決方案進(jìn)行了對(duì)比。TE電路保護(hù)的PESD器件的插入損耗可以忽略不計(jì)，即使是在HDMI1.3規(guī)范規(guī)定的最高速度3.4GHz運(yùn)行時(shí)。普通的0.7pF硅靜電放電保護(hù)器件通常表現(xiàn)出其插入損耗隨頻率增加急劇增加的特點(diǎn)，當(dāng)HDMI以1080p 36位色彩深度的2.25GHz速度運(yùn)行時(shí)，給TMDS信號(hào)引入的插入損耗超過3dB。以更高的分辨率和顏色深度的3.4GHz全速運(yùn)行時(shí)，硅靜電放電保護(hù)器件可以造成超過6dB的信號(hào)衰減，有效地消減了一半以上的信號(hào)電平。
3. 穩(wěn)當(dāng)?shù)碾娙菖c頻率
ESD保護(hù)器件的電容隨頻率行為也可以影響到HDMI端口的設(shè)計(jì)性能，以及造成設(shè)計(jì)限制。在高速系統(tǒng)中，針對(duì)一定電容設(shè)計(jì)的電路可以表現(xiàn)出不同的行為，這取決於所使用的ESD保護(hù)技術(shù)。這常常迫使設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)HDMI電路保護(hù)方案時(shí)，使用復(fù)雜的軟件過程改進(jìn)和能力確定(SPICE)模型和模擬。
如圖5所示，TE電路保護(hù)的PESD器件在3GHz速度下具有穩(wěn)定的電容和頻率關(guān)係。其行為非常類似於一個(gè)0.25pF(典型值)的電容，從而可以大大簡化設(shè)計(jì)。由於HDMI的TMDS對(duì)根據(jù)數(shù)據(jù)模式，視頻源的分辨率和色彩深度改變運(yùn)行頻率，瞭解ESD保護(hù)器件的電容在很寬的頻率范圍內(nèi)是穩(wěn)定的特點(diǎn)可以為設(shè)計(jì)人員提供更多的自由度和靈活性。
重要的是要在一個(gè)寬的頻率范圍內(nèi)考慮電容的穩(wěn)定性，而不是在一個(gè)單一或有限的范圍內(nèi)。例如，硅靜電放電保護(hù)通常在1MHz下測量電容，但是沒有定義其他頻率下的電容。這可能會(huì)導(dǎo)致需要復(fù)雜的建模以確保在HDMI寬廣的頻率操作滿足性能。
4. 良好的佈局，為3.4GHz運(yùn)行速率提供足夠的裕度
HDMI設(shè)備的設(shè)計(jì)人員面臨開發(fā)消費(fèi)電子設(shè)備的共同挑戰(zhàn) - 上市時(shí)間。在設(shè)計(jì)高頻率的應(yīng)用時(shí)，參考設(shè)計(jì)在最大限度地降低風(fēng)險(xiǎn)、工程造價(jià)和再設(shè)計(jì)時(shí)間上起關(guān)鍵作用。在HDMI設(shè)計(jì)中增加ESD保護(hù)也不例外。
TE電路保護(hù)現(xiàn)已提供了業(yè)界首款基於無源器件用於HDMI1.3的ESD和過電流保護(hù)參考設(shè)計(jì)佈局。
這個(gè)參考設(shè)計(jì)可以幫助設(shè)計(jì)人員將時(shí)間和資源專註於開發(fā)關(guān)鍵和差異性功能，而不用去擔(dān)心添加ESD保護(hù)會(huì)不會(huì)影響HDMI的性能。
該參考設(shè)計(jì)已經(jīng)過測試，符合在最高速度 - 3.4GHz運(yùn)行時(shí)HDMI1.3規(guī)范要求，并具有裕度。一個(gè)在3.4GHz速度下符合HDMI規(guī)范的參考設(shè)計(jì)不僅對(duì)於開發(fā)下一代電腦顯示器、視頻卡、和視頻屏幕的設(shè)計(jì)人員來說很重要；3.4Ghz的設(shè)計(jì)同時(shí)提供了電路板裕度，放寬了設(shè)計(jì)限制，且常常可以降低具有較低速度的HDMI1.3設(shè)計(jì)的電路板成本。
TE電路保護(hù)的參考設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)：
• 向后兼容HDMI1.0-1.2標(biāo)準(zhǔn)
• 經(jīng)驗(yàn)證性能符合3.4GHz速率下的HDMI1.3規(guī)范要求
• 包括一個(gè)適用於+5伏電源的可選過流保護(hù)(適用於HDMI發(fā)射器)
• 佈局設(shè)計(jì)文件，PESD spice模型，和測試結(jié)果 - 包括時(shí)域反射(TDR)，眼圖和遠(yuǎn)端串?dāng)_測量 - 根據(jù)要求提供
• 有助於通過IEC 61000-4-2的靜電放電保護(hù)規(guī)范：+/-15kV(空氣)，+/-8kV(接觸)
• 靜電放電保護(hù)採用TE電路保護(hù)的低電容(0.25pF)PESD器件
• 在+5伏電源的過電流保護(hù)上採用TE電路保護(hù)的nanoSMD器件
• 與Efficere，公司共同設(shè)計(jì)和驗(yàn)證(www.efficere.com) - HMDI測試夾具的領(lǐng)導(dǎo)者
總結(jié)
在設(shè)計(jì)HDMI系統(tǒng)時(shí)，如果找到妥善的解決方法，增加ESD保護(hù)不會(huì)是復(fù)雜而令人睏惑的任務(wù)。儘管目前這一代的設(shè)備可能不需要HDMI1.3在3.4GHz全速運(yùn)行時(shí)的性能表現(xiàn)，但使用能通過3.4GHz要求的ESD保護(hù)解決方案可以減少設(shè)計(jì)上令人頭疼的問題，增加系統(tǒng)裕度，并可以避免以后在ESD保護(hù)方案上的重新設(shè)計(jì)的必要，減輕下一代設(shè)備設(shè)計(jì)上的睏難。TE電路保護(hù)的ESD和過電流保護(hù)參考設(shè)計(jì)符合HDMI1.3規(guī)范在3.4GHz運(yùn)行速度下的要求，提供符合IEC61000-4-2要求的ESD保護(hù)，優(yōu)化了電路板空間，且有助於最大限度地減少設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。
