- 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(shè)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(shù)據(jù)速率達到了3.4Gbps，是以前HDMI1.0 - 1.2標準的兩倍。更高的數(shù)據(jù)傳輸速率為設(shè)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(shè)計中的ESD保護。TE電路保護的ESD和過電流保護參考設(shè)計符合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)計人員的風險。本文探討了在HDMI1.3系統(tǒng)中設(shè)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(xiàn)需要多次電路板繞線來確保滿足適當?shù)臅r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(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(shè)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(shè)計人員很難選擇適當?shù)腅SD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?shù)腅SD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(guān)鍵詞是“運行速度高達”。這僅僅意味著接口會根據(jù)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(shè)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(qū)動顯示設(shè)備(顯示器、液晶電視等)。例如，如果一臺高清晰度數(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(shù)。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?shù)木幋a比特數(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=每行像素數(shù)
Y=每幀行數(shù)
F=每秒幀數(shù)
B=每像素編碼比特數(shù)
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HDMI的物理數(shù)據(jù)接口包含四個最小化差分信號傳輸(TMDS)對：三個數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)速率和物理TMDS對之間的關(guān)係，表3結(jié)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(shè)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(shù)據(jù)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?shù)臄?shù)據(jù)等同於每像素30比特的編碼數(shù)。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(nèi)傳輸10比特。
因而信號時鐘和數(shù)據(jù)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(shù)。表4中描述了鏈路數(shù)據(jù)速率、TMDS信號速率和“系統(tǒng)”TMDS時鐘速率之間的關(guān)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(guān)鍵要考慮額外的電容和電感對高速TMDS對上所保護設(shè)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(shè)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(guān)於ESD保護器件需要做四個關(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(shù)據(jù)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(shè)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(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運行時，信號的上昇和下降時間以及信號電平都有一定的設(shè)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(shè)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(shè)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(zhuǎn)化為器件和系統(tǒng)中的較低帶寬，增加了額外的設(shè)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(xiàn)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?shù)碾娙菖c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(shè)計性能，以及造成設(shè)計限制。在高速系統(tǒng)中，針對一定電容設(shè)計的電路可以表現(xiàn)出不同的行為，這取決於所使用的ESD保護技術(shù)。這常常迫使設(shè)計人員在設(shè)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(guān)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(shè)計。由於HDMI的TMDS對根據(jù)數(shù)據(jù)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(nèi)是穩(wěn)定的特點可以為設(shè)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(nèi)考慮電容的穩(wěn)定性，而不是在一個單一或有限的范圍內(nèi)。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(shè)備的設(shè)計人員面臨開發(fā)消費電子設(shè)備的共同挑戰(zhàn) - 上市時間。在設(shè)計高頻率的應用時，參考設(shè)計在最大限度地降低風險、工程造價和再設(shè)計時間上起關(guān)鍵作用。在HDMI設(shè)計中增加ESD保護也不例外。
TE電路保護現(xiàn)已提供了業(yè)界首款基於無源器件用於HDMI1.3的ESD和過電流保護參考設(shè)計佈局。
這個參考設(shè)計可以幫助設(shè)計人員將時間和資源專註於開發(fā)關(guān)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(shè)計已經(jīng)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(shè)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(shè)計人員來說很重要；3.4Ghz的設(shè)計同時提供了電路板裕度，放寬了設(shè)計限制，且常?？梢越档途哂休^低速度的HDMI1.3設(shè)計的電路板成本。
TE電路保護的參考設(shè)計的主要特點：
• 向后兼容HDMI1.0-1.2標準
• 經(jīng)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(shè)計文件，PESD spice模型，和測試結(jié)果 - 包括時域反射(TDR)，眼圖和遠端串擾測量 - 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(shè)計和驗證(www.efficere.com) - HMDI測試夾具的領(lǐng)導者
總結(jié)
在設(shè)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(shè)備可能不需要HDMI1.3在3.4GHz全速運行時的性能表現(xiàn)，但使用能通過3.4GHz要求的ESD保護解決方案可以減少設(shè)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(shè)計的必要，減輕下一代設(shè)備設(shè)計上的睏難。TE電路保護的ESD和過電流保護參考設(shè)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(shè)計風險。
