- HDMI的運行速度究竟是多少
- HDMI系統(tǒng)添加ESD保護時應註意的時序和性能問題
- TE電路保護的參考設計的主要特點
不以犧牲性能為前提的HDMI靜電放電保護
為HDMI添加靜電放電保護，即使在3.4GHz下，也會變得更為容易
摘要
最新的高清晰度多媒體接口(HDMI)1.3標準的數據速率達到了3.4Gbps，是以前HDMI1.0 - 1.2標準的兩倍。更高的數據傳輸速率為設計具有低電容且能保證足夠的信號完整性的穩(wěn)定電路板帶來了新的挑戰(zhàn)。尤其對實施強大的靜電放電(ESD)保護解決方案尤為重要。通過選擇合適的解決方案可以簡化HDMI系統(tǒng)設計中的ESD保護。TE電路保護的ESD和過電流保護參考設計符合HDMI1.3在3.4GHz條件下的規(guī)范，滿足IEC61000-4-2關於ESD保護規(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計人員的風險。本文探討了在HDMI1.3系統(tǒng)中設計ESD保護的要求和缺陷。
概述
在高清晰度視頻系統(tǒng)中添加ESD保護引發(fā)了許多可能增加成本和上市時間的復雜且令人睏惑的問題。通常會基於解決方案看起來是否易於實施而做出選擇；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保護解決方案，后來發(fā)現需要多次電路板繞線來確保滿足適當的時序。提供充分的保護通常意味著要在尺寸、ESD保護性能和實施的便利性之間做出權衡。直到現在為止一直都是。
本文的目的是要討論為HDMI1.3系統(tǒng)實施強大的ESD保護的復雜性主要成因-運行速度，以及提供充分保護所必須考慮的設計標準。
HDMI的運行速度究竟是多少？
HDMI速度的反映方式有多種，因此設計人員很難選擇適當的ESD解決方案。最新的HDMI標準，HDMI1.3的運行速度通常被定為在340 Mpixels/s下高達10.2Gbps。這是對系統(tǒng)運行速度的準確描述，但是沒有對最小化差分信號傳輸(TMDS)的速度進行描述。TMDS的速度也必須加以考慮，以選擇一個適當的ESD保護解決方案。
如前所述，按照HDMI1.3規(guī)范，系統(tǒng)運行速度在340Mpixels/s下高達10.2Gbps。關鍵詞是“運行速度高達”。這僅僅意味著接口會根據所連接的發(fā)射機和接收機的視頻功能而改變其時鐘頻率。因此，這兩個連接設備的分辨率或色彩深度越高，時鐘頻率就會越高。HDMI僅需要在足以傳輸所需的像素量的速度下運行，以驅動顯示設備(顯示器、液晶電視等)。例如，如果一臺高清晰度數字視頻光盤(DVD)播放器和液晶顯示器(LCD)在播放高清晰度視頻時以48位色彩深度的1080P全屏運行，將會比播放480i標準清晰度的DVD時需要處理更多的信息。
表1顯示了每種分辨率和相應的每行像素和每幀行數。對於表1列出的每一個色深，都有一個相應的為每個像素顏色而傳輸的編碼比特數。需要從HDMI發(fā)射器發(fā)送至HDMI接收器的數據量可以被解釋為這些變量之間的關係，包括更新屏幕所需的幀數。表2描述了這種關係：
HDMI數據傳輸速率=X*Y*F*B
其中： X=每行像素數
Y=每幀行數
F=每秒幀數
B=每像素編碼比特數
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HDMI的物理數據接口包含四個最小化差分信號傳輸(TMDS)對：三個數據差分對通道和一個時鐘差分對通道，如圖1所描述。
如圖1所示，三個TDMS對需要能夠發(fā)送和接收高達10.2Gbps的帶寬。因此，三個TMDS信號對每一個都必須能在10.2Gbps/3=3.4Gbps(或GHz)下進行信號通訊。
為了說明鏈路數據速率和物理TMDS對之間的關係，表3結合了表2中的信息與TMDS對信號速度，以及相應的信號時鐘速度。
設計人員通常也註意到HDMI1.3規(guī)范指定的340MHz TMDS時鐘速率比數據或信號速率要慢的多。在標準的24位/像素的色彩深度下，通過TMDS對傳輸的數據等同於每像素30比特的編碼數。因此，三個TMDS通道的每一個通道都必須在一個“系統(tǒng)”時鐘周期內傳輸10比特。
因而信號時鐘和數據傳輸率相當於“系統(tǒng)”TMDS時鐘速率的十倍。此外，對於更高的色彩深度，信號時鐘速率會更高，以適應傳輸更多每像素編碼比特數。表4中描述了鏈路數據速率、TMDS信號速率和“系統(tǒng)”TMDS時鐘速率之間的關係。
總之，HDMI運行的速度取決於發(fā)射器和接收器的功能，以及信號源的分辨率和色彩深度。 TMDS對運行的速度高達3.4GHz。
HDMI系統(tǒng)添加ESD保護時應註意的時序和性能問題
HDMI系統(tǒng)添加ESD保護時，關鍵要考慮額外的電容和電感對高速TMDS對上所保護設備時序的影響。在TMDS對上以高達3.4GHz的速度運行，線路上任何額外的阻抗都能使信號失真，導致：
• 滿足上昇時間和信號電平所需的眼圖難度更大，
• 在電路板設計上限制增加，且
• 系統(tǒng)級性能更低
為了盡量減少對這些高速線時序的影響，關於ESD保護器件需要做四個關鍵的技術方面的考慮。
1. 低電容
2. 低插入損耗
3. 穩(wěn)定的電容與頻率關係
4. 良好的佈局，為3.4GHz運行速率提供足夠的裕度
1. 低電容
HDMI的時序性能通常以眼圖來衡量。眼圖是用來提供時序和電平誤差的精確直觀顯示的時序分析工具。眼圖中部的灰色區(qū)域代表了HDMI1.3規(guī)范。當眼線延伸至灰色區(qū)域，容錯裕量越小。眼寬是度量數據線穩(wěn)定的時間長度的良好工具，如果存在任何錯誤。眼高是信號的水平或幅度的衡量。
由於HDMI的TMDS對為差分信號，盡量減少信號對之間和信號對地電容很重要，以確保信號的上昇和下降時間滿足規(guī)范。最佳的方式是，電容應盡量低，以使設計人員有盡可能多的裕度。
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TE電路保護的0.25pFPESD保護器件在3.4GHz速率下運行時的眼圖表現如圖2所示。
該圖顯示了在HDMI1.3規(guī)范規(guī)定的最高速率3.4GHz運行時，信號的上昇和下降時間以及信號電平都有一定的設計裕度。當以較低速度運行時，眼圖更為“干凈”，并提供更多的裕度，因此緩解了設計上的限制。
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。這可能會導致電路板設計上的限制增加。
2. 低插入損耗
插入損耗是信號衰減隨頻率變化的重要衡量。較高的插入損耗轉化為器件和系統(tǒng)中的較低帶寬，增加了額外的設計限制以滿足眼圖的水平。
圖4對TE電路保護的PESD器件和普通的0.7pF硅靜電放電保護解決方案進行了對比。TE電路保護的PESD器件的插入損耗可以忽略不計，即使是在HDMI1.3規(guī)范規(guī)定的最高速度3.4GHz運行時。普通的0.7pF硅靜電放電保護器件通常表現出其插入損耗隨頻率增加急劇增加的特點，當HDMI以1080p 36位色彩深度的2.25GHz速度運行時，給TMDS信號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全速運行時，硅靜電放電保護器件可以造成超過6dB的信號衰減，有效地消減了一半以上的信號電平。
3. 穩(wěn)當的電容與頻率
ESD保護器件的電容隨頻率行為也可以影響到HDMI端口的設計性能，以及造成設計限制。在高速系統(tǒng)中，針對一定電容設計的電路可以表現出不同的行為，這取決於所使用的ESD保護技術。這常常迫使設計人員在設計HDMI電路保護方案時，使用復雜的軟件過程改進和能力確定(SPICE)模型和模擬。
如圖5所示，TE電路保護的PESD器件在3GHz速度下具有穩(wěn)定的電容和頻率關係。其行為非常類似於一個0.25pF(典型值)的電容，從而可以大大簡化設計。由於HDMI的TMDS對根據數據模式，視頻源的分辨率和色彩深度改變運行頻率，瞭解ESD保護器件的電容在很寬的頻率范圍內是穩(wěn)定的特點可以為設計人員提供更多的自由度和靈活性。
重要的是要在一個寬的頻率范圍內考慮電容的穩(wěn)定性，而不是在一個單一或有限的范圍內。例如，硅靜電放電保護通常在1MHz下測量電容，但是沒有定義其他頻率下的電容。這可能會導致需要復雜的建模以確保在HDMI寬廣的頻率操作滿足性能。
4. 良好的佈局，為3.4GHz運行速率提供足夠的裕度
HDMI設備的設計人員面臨開發(fā)消費電子設備的共同挑戰(zhàn) - 上市時間。在設計高頻率的應用時，參考設計在最大限度地降低風險、工程造價和再設計時間上起關鍵作用。在HDMI設計中增加ESD保護也不例外。
TE電路保護現已提供了業(yè)界首款基於無源器件用於HDMI1.3的ESD和過電流保護參考設計佈局。
這個參考設計可以幫助設計人員將時間和資源專註於開發(fā)關鍵和差異性功能，而不用去擔心添加ESD保護會不會影響HDMI的性能。
該參考設計已經過測試，符合在最高速度 - 3.4GHz運行時HDMI1.3規(guī)范要求，并具有裕度。一個在3.4GHz速度下符合HDMI規(guī)范的參考設計不僅對於開發(fā)下一代電腦顯示器、視頻卡、和視頻屏幕的設計人員來說很重要；3.4Ghz的設計同時提供了電路板裕度，放寬了設計限制，且常?？梢越档途哂休^低速度的HDMI1.3設計的電路板成本。
TE電路保護的參考設計的主要特點：
• 向后兼容HDMI1.0-1.2標準
• 經驗證性能符合3.4GHz速率下的HDMI1.3規(guī)范要求
• 包括一個適用於+5伏電源的可選過流保護(適用於HDMI發(fā)射器)
• 佈局設計文件，PESD spice模型，和測試結果 - 包括時域反射(TDR)，眼圖和遠端串擾測量 - 根據要求提供
• 有助於通過IEC 61000-4-2的靜電放電保護規(guī)范：+/-15kV(空氣)，+/-8kV(接觸)
• 靜電放電保護採用TE電路保護的低電容(0.25pF)PESD器件
• 在+5伏電源的過電流保護上採用TE電路保護的nanoSMD器件
• 與Efficere，公司共同設計和驗證(www.efficere.com) - HMDI測試夾具的領導者
總結
在設計HDMI系統(tǒng)時，如果找到妥善的解決方法，增加ESD保護不會是復雜而令人睏惑的任務。儘管目前這一代的設備可能不需要HDMI1.3在3.4GHz全速運行時的性能表現，但使用能通過3.4GHz要求的ESD保護解決方案可以減少設計上令人頭疼的問題，增加系統(tǒng)裕度，并可以避免以后在ESD保護方案上的重新設計的必要，減輕下一代設備設計上的睏難。TE電路保護的ESD和過電流保護參考設計符合HDMI1.3規(guī)范在3.4GHz運行速度下的要求，提供符合IEC61000-4-2要求的ESD保護，優(yōu)化了電路板空間，且有助於最大限度地減少設計風險。
