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HDMI 2.1靜電保護(hù)方案

方案簡介

HDMI(高清多媒體接口)是一種全數(shù)字化視頻和聲音發(fā)送接口，可以發(fā)送未壓縮的音頻及視頻信號(hào)，廣泛應(yīng)用如消費(fèi)類產(chǎn)品上，如機(jī)頂盒、DVD播放器、個(gè)人計(jì)算機(jī)、電視、游戲主機(jī)、綜合擴(kuò)大機(jī)、數(shù)字音響與電視機(jī)等設(shè)備。HDMI 2.1標(biāo)準(zhǔn)由HDMI協(xié)會(huì)在2017年正式發(fā)布，其關(guān)鍵改進(jìn)在于將視頻信號(hào)傳輸速率從HDMI 2.0的18Gbps大幅躍升至48Gbps，同時(shí)支持的分辨率CAN總線CAN總線上限由4K升級(jí)至8K。

HDMI接口作為一種熱插拔端口，其設(shè)計(jì)易受到靜電放電的損害，造成內(nèi)部芯片的損壞，尤其是在與用戶終端或帶電電纜的連接過程中。HDMI 2.1的主控芯片采用了更為先進(jìn)的制程技術(shù)，但是對(duì)靜電放電（ESD）敏感度一定程度降低，需要更優(yōu)秀的抗干擾保護(hù)。普通的防護(hù)方案或許會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸造成一定影響，此方案采用低電容低漏電的ESD靜電防護(hù)器件，在不影響數(shù)據(jù)傳輸的前提下滿足HDMI兼容性測試規(guī)范(CTS)的信號(hào)完整性和阻抗要求，讓后端的電路得到有效防護(hù)。

HDMI的引腳配置

編輯

引腳	定義	引腳	定義
1	數(shù)據(jù)3+ (Data Lane3+)	11	數(shù)據(jù)0屏蔽(Data Lane0 shield)
2	數(shù)據(jù)3屏蔽(Data Lane3 shield)	12	數(shù)據(jù)0- (Data Lane0-)
3	數(shù)據(jù)3- (Data Lane3-)	13	CEC
4	數(shù)據(jù)2+ (Data Lane2+)	14	保留
5	數(shù)據(jù)2屏蔽(Data Lane2 shield)	15	DDC時(shí)鐘線(SCL)
6	數(shù)據(jù)2- (Data Lane2-)	16	DDC數(shù)據(jù)線(SDA)
7	數(shù)據(jù)1+ (Data Lane1+)	17	DDC/CEC地(DDC/CEC GND)
8	數(shù)據(jù)1屏蔽 (Data Lane1 shield)	18	+5V電源(Power)
9	數(shù)據(jù)1- (Data Lane1-)	19	熱插拔檢測 (Hot Plus Detect)
10	數(shù)據(jù)0+ (Data Lane0+)

HDMI 2.0采用傳統(tǒng)的三對(duì)數(shù)據(jù)差分對(duì)（TMDS Data0, Data1, Data2）搭配一個(gè)時(shí)鐘對(duì)（TMDS Clock Pair）的結(jié)構(gòu)，而HDMI 2.1則創(chuàng)新性地采用了類似DisplayPort的FRL（固定速率鏈路）技術(shù)，將4組高速差分信號(hào)都定義成Data lane（ Lane0， Lane1， Lane2， Lane3），并直接從信號(hào)中提取時(shí)鐘，這一轉(zhuǎn)變顯著提升了數(shù)據(jù)傳輸效率。

HDMI的ESD防護(hù)

針對(duì)每條差分線承受的最大3.3V工作電壓，特別是在極高速數(shù)據(jù)傳輸環(huán)境下，ESD防護(hù)器件的作用顯得尤為關(guān)鍵。ESD防護(hù)在瞬態(tài)事件突發(fā)時(shí)，需憑借超低線間電容來維持電路安全，同時(shí)絲毫不減損信號(hào)的純凈度與完整性。鑒于TVS與電路并聯(lián)的布局，遭遇ESD沖擊時(shí)，電路承受的電壓即等同于ESD防護(hù)器件的鉗位電壓，故確保鉗位電壓盡可能低。因此，理想的保護(hù)器件應(yīng)兼具低ESD峰值鉗位電壓和低動(dòng)態(tài)電阻的優(yōu)越特性，以有效限制電壓尖峰并減少能量損耗。這對(duì)HDMI在選擇ESD防護(hù)器件時(shí)需要考慮如下要求：

確保信號(hào)完整性，實(shí)現(xiàn)極高的二極管開關(guān)速度和極低的線電容

經(jīng)過若干次ESD沖擊后，防護(hù)性能不退化且泄漏保持在較低水平

器件封裝尺寸小，PCB設(shè)計(jì)空間充足

PCB設(shè)計(jì)層面，對(duì)布線進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)高效封裝布局

應(yīng)用示例

編輯

我們?yōu)镠DMI 2.1接口提供了兩種ESD靜電防護(hù)器件，專為保護(hù)該接口的高速差分線路而設(shè)計(jì)，型號(hào)分別為SEUC2F5V1B和SEUC236T5V4U。分立器件減少了生產(chǎn)成本，集成式器件的流通式封裝設(shè)計(jì)簡化了 PCB 布局，減少布線過程中的不連續(xù)性，促進(jìn)了信號(hào)完整性和系統(tǒng)穩(wěn)定性的提升。

其中SEUC2F5V1B結(jié)電容僅有0.2pF，可對(duì)單路高速數(shù)據(jù)線進(jìn)行靜電防護(hù)，可以使用八個(gè)SEUC2F5V1B來保護(hù)四個(gè)Lane通道。它的工作電壓為 5 V，最小擊穿電壓為 6V，符合IEC 61000-4-2 (ESD) 規(guī)范，在 ±15kV（空氣）和 ±10kV（接觸）下提供瞬變保護(hù)。

DDC時(shí)鐘和數(shù)據(jù)通道的防護(hù)采用了集成多路ESD靜電二極管SEUC236T5V4U，可同時(shí)保護(hù)HDMI2.1的五個(gè)引腳免受靜電放電(ESD)和低等級(jí)浪涌事件的沖擊與干擾。它的工作電壓為 5 V，結(jié)電容僅有0.6pF，符合IEC 61000-4-2 (ESD) 規(guī)范，在 ±17kV（空氣）和 ±12kV（接觸）下提供瞬變保護(hù)。

型號(hào)參數(shù)

規(guī)格型號(hào)	方向	工作電壓(V)	IPP(A)	鉗位電壓(V)	結(jié)電容(pF)	封裝
SEUC2F5V1B	Bi.	5	3.0	18	0.2	DFN1006-2L
SEUC236T5V4U	Uni.	5	4.5	15	0.6	SOT-23-6L

電氣特性表

At TA = 25℃ unless otherwise noted

Parameter	Symbol	Conditions	Min.	Typ.	Max.	Units
Reverse Stand-off Voltage	VRWM				5.0	V
Reverse Breakdown Voltage	VBR	IT=1mA	6.0			V
Reverse Leakage Current	IR	VRWM=5V			1.0	uA
Clamping Voltage	VC	IPP=1A; tp=8/20us		12.0	14.0	V
Clamping Voltage	VC	IPP=3A; tp=8/20us		18.0	20.0	V
Junction Capacitance	CJ	I/O to GND; VR=0V; f=1MHz		0.2	0.3	pF

表1 SEUC2F5V1B電氣特性表

Parameter	Symbol	Conditions	Min.	Typ.	Max.	Units
Reverse Stand-off Voltage	VRWM				5.0	V
Reverse Breakdown Voltage	VBR	IT=1mA	6.0			V
Reverse Leakage Current	IR	VRWM=5V			1.0	uA
Clamping Voltage	VC	IPP=1A; tp=8/20us		9.0	11.0	V
Clamping Voltage	VC	IPP=4.5A; tp=8/20us		12.0	15.0	V
Junction Capacitance	CJ	I/O to GND; VR=0V; f=1MHz		0.6	1.0	pF
Junction Capacitance	CJ	Between I/O; VR=0V; f=1MHz		0.3	0.5	pF

表2 SEUC236T5V4U電氣特性表

總結(jié)與結(jié)論

由于HDMI在家庭娛樂和智能辦公中發(fā)揮著重要作用，且一直在向?qū)崿F(xiàn)更高的畫質(zhì)和更流暢的性能表現(xiàn)發(fā)展，保護(hù)HDMI接口免受ESD靜電損害極為關(guān)鍵。ELECSUPER SEMI研發(fā)各種低電容低鉗位電壓的ESD保護(hù)器件，可按照客戶需求性能與封裝提供定制化開發(fā)服務(wù)，為各種接口提供值得信賴的保護(hù)器件。以上解決方案是保護(hù) HDMI 2.1的優(yōu)選之策，確保消費(fèi)者能夠高品質(zhì)享受視聽體驗(yàn)的流暢無阻

HDMI 2.1靜電保護(hù)方案

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