在HDMI设计中考虑ESD+CED问题

在HDMI设计中考虑ESD/CED 问题

作者：Hani Geske / Semtech公司高级应用工程师

Satoko Yoshima / Semtech公司应用工程师

高清晰多媒体接口(HDMI)是一种无压缩全数字音频/视频接口。它为视频/音频源设备与接收设备间提供了高速接口，如连接DVD机和数字显示器。现在的HDMI硅片的数字信号传输速度可达到1.65Gbps。HDMI插头是一种易受瞬间破坏的外接端口，用于连接用户端或带电电缆。HDMI插头的内部ESD保护不足以使图像芯片免受破坏。为了确保该端口的性能，消费电子制造商们需要加强HDMI端口的ESD性能，他们通常采用全球认同的ESD标准IEC61000-4-2，但还需要额外的附加保护才能满足要求，这就对设计师提出了挑战：如何在满足HDMI兼容性测试规范(CTS)的信号完整性和阻抗要求的同时，根据IEC61000-4-2硬化HDMI端口。

ESD/CDE简介

ESD是指当两个主体静电势有差异时产生的静电荷传输。这种突然放电可能是由于直接接触或静电场的产生而引起的。尽管ESD对人体的伤害并不多见，但对敏感电子器件却是致命的。HDMI图像芯片采用几何尺寸非常小的硅片制造，对ESD非常敏感。大多数这类图像芯片内部均集成了ESD保护；但是，这种措施仅能提供受控制造环境中的保护。在现实世界中，用户经常接触像HDMI这类接口，因此会引起ESD。IEC 61000-4-2标准中定义了各种破坏程度。当人在地毯上行走时，累积电压达15kV是很常见的。ESD容易损坏甚至摧毁IC。

表1: IEC 61000-4-2测试程度

IEC 61000-4-2标准参考人体模型(HBM)，效仿人体的各种ESD现象。这个完整的ESD标准为用户提供了各种测试方法、环境和测试程度。表1列举了IEC 61000-4-2的四种测试程度。消费电子一般根据IEC 61000-4-2规范的四级测试：8 kV接触和15 kV空气ESD。该标准相关的波形在图1中列出。它的上升时间小于1 ns，达到最大峰值电流50%的延时时间为60 ns。尽管ESD脉冲持续时间短，其电压和电流幅度足以破坏敏感的IC。

Figure 1: IEC 61000-4-2的ESD波形

另一种常见的ESD为电缆放电现象(CDE)。当上电的DVI/HDMI电缆连到插座上突然掉电时会产生CDE。但从包装中拿出电缆时，或者用户向电缆传输电荷时，电缆就可能带电。CDE的标准定义及测试方法还尚未建立，但其能量略低于IEC 61000-4-2四级。因此，大多数制造商认为也可以用CDE测试器件是否符合IEC的规范。

保护种类

为HDMI端口提供有效的ESD并非易事。ESD保护设备通常电容值大，以承受IEC61000-4-2规范定义的高浪涌。但高速视频信号中的容性负载会导致信号衰减，所以ESD保护设备利用各种方法和技术降低电容。为了降低容性负载必须谨慎地选择ESD器件。当保护器件的电容降低时，其箝位电压(被保护的IC上的电压)会明显升高。当系统性能下降或偶而工作不正常时，这种不完善的保护方案会使IC易受潜在的损坏。

保护高速接口的传统方法常采用控向二极管和聚合体器件。但这类保护器件对HDMI保护并不是最理想的。传统二极管并不能承受IEC61000-4-2定义的ESD脉冲高能量。聚合体器件虽然电容低，但启动电压并不可靠，通常高于1kV。这就意味着受保护的IC在聚合体器件对浪涌有反应之前最低必须承受1kV电压。HDMI制造商准备采用更适合的瞬态电压抑制(TVS)二极管作为保护设备。但不幸的是，并非所有电视二极管性能都一致，TVS的关键参数是浪涌性能和箝位电压。

保持HDMI CTS阻抗规范

为了确保HDMI产品间的兼容性，所有器件必须符合HDMI CTS的要求。在HDMI产品中，高速信号是通过三个差分数据对和一个时钟对进行传输的。这些差分传输对是差分阻抗控制为100欧姆的传输线，这样可保证信号的完整性。HDMI CTS需要所有HDMI接收设备的高速线路差分阻抗保持为100欧的15%。该要求通常使用时域反射计(TDR)方法测试，该方法使用上升时间不超过200ps的脉冲。由于上升时间缩短了，线路各种不完善因素(附加电容或电感)对差分线路阻抗的影响更大。尽管对信号源设备并没有阻抗要求，但由于高速差分信号对会导致信号衰减，所以最好还是能达到这一规范要求。如果在进行信号源设备眼图测试

(EPT)时出现故障，会导致这种衰减。

有效ESD会导致差分对的阻抗下降，从而会引起TDR故障或EPT故障。目前的技术可在不影响ESD浪涌性能的同时使ESD保护设备的电容降低到1pF。但如果容性负载低于1pF会使差分传输对的阻抗低于HDMI CTS，但这点遗憾可通过PCB板布局方法来弥补。因此，尽管选用合适的ESD保护器件很重要，正确补偿增加的电容也同样重要，这样可满足HDMI CTS的要求。

电容补偿理论

测试表明当电容值仅为1pF时会使传输线路的阻抗低于HDMI CTS所要求的85欧最低要求。现在有很多方法既可以补偿ESD保护器件的容性负载，又能满足HDMI阻抗规范。有一种方法是使用PCB上的线路阻抗补偿增加的容性负载。另一种方法是将容性负载放置在已有感性负载附近以抵消其电容。

图2:用路径长度补偿C(TVS)

霍华德.约翰逊曾用”壶穴”比喻补偿附加电容的方法。该方法是通过用壶穴大小类似的岩石填补漏洞。虽然这种方法不能完全抵消不良影响，但可使其降低到可以接受的程度。图2显示了保护器件C(TVS)电容值增加的传输线路。方程1和2可用于计算是否可以补偿保护器件引起的附加电容。这个方程是用于共模补偿而HDMI产品是采用传输线路对的差分阻抗。

要达到100欧差分阻抗HDMI要求，Z0则为50欧。为了确定电路的实际大小、介电质厚度、轨线间距，PCB布线软件需要增加控制电阻计算附加功能。设计师仍需参考PCB制造商的软件和计算，因为各厂商的设计规则、公差和限制会有所不同。

方程1

方程2

• Z0是传输线周围的阻抗

• K为可调部分的上载阻抗

• Z1是需要补偿增加的C(TVS)所需阻抗

• 为可调部分的有效延时，FR4为180ps

• T为可调部分的长度，如果T的单位为ps、C(TVS)为pF时，其单位为英寸。

测试结果和推荐

为了评估这些方法，需要利用一些布线和器件配置有变化的评估板进行测量。下文将显示PCB板布线补偿方法的结果。使用现有感性负载方法的结果可参考Semtech应用指南

SI05-03。由于传输线路的效果也会受PCB层数的影响，所以PCB板布线补偿方法也在具有不同PCB层数的评估板上进行测试。评估板包括二层、四层和六层PCB。本文仅列出四层PCB电路板补偿方法。两层和六层PCB的结果请参考Semtech应用指南SI05-03。

评估板使用的保护器件为Semtech RClamp0514M。RClamp0514M的设计考虑了信号完整性，具有电容小、箝位电压低的特点，可为HDMI源设备和接收设备提供可靠的ESD保护方案。Semtech RClamp0514M最大差分电容为0.9pF。由于这个电容值还会导致差分对低于HDMI阻抗要求，因此仍需要电路板补偿。