HDMI 应用使用静电防护组件时如何同时兼顾讯号完整度

2018/10/22

基于人们对于显示影像的质量需求，不论是显示器技术的改进，或是影像质量的发展也越来越前瞻。如此高影像画质内容也需要更高速的接口的搭配才能流畅地表现出来。因此，高清晰度多媒体接口HDMI (High Definition Multimedia Interface)协会于公元2014年率先发表HDMI2.0的规格，HDMI TMDS Pair最大的传输带宽从10.2 Gbps 提升至 18Gbps，且可支持的分辨率从4K*2K@30Hz升级至4K*2K @60Hz。

图一、不同HDMI规范速度比较表

HDMI的架构如图二所示，主要是利用三组TMDS 差动讯号对，以及一组TMDS差动讯号对的频率做为高速影像及声音讯号的传输。而DDC以及CEC等讯号线则做为设备间沟通的桥梁。目前已成为非常普及的影音传输接口，已广泛的应运于电子产品上例如..数位机顶盒.屏幕.电视机..等。

图二、HDMI传输接口架构图

随着低功耗及高速讯号的需求日益增加，目前主芯片的制程也就从以前的90奈米制程精进到如今的14奈米甚至7奈米制程，越做越精密。但也因此半导体组件的闸极氧化层厚度越来越薄，接面深度也越来越浅，主芯片能耐受静电放电电流相对变弱许多。系统设计者也已发现因为静电放电问题造成的产品受损客退案件增加，其中于高速接口端口处面临此问题更是明显，故以目前的电子市场来看，大部分的高速接口端口如HDMI接口都会加上静电防护组件来加强静电放电防护能力，以减少因HDMI端口受损的客退情况。 HDMI 为高速讯号的影音接口，所以在讯号测试上也相当的严谨，但加上静电防护组件或多或少会在讯号在线产生寄生电容的效应，即有机会影响到高速讯号传输时的完整性，所以如何在这么高速的传输接口端使用静电防护组件的同时，也能兼顾讯号完整度以及静电放电防护能力既为系统设计者的重要议题。

HDMI CTS (Compliance Test Specification)测试中，有特别要求要测试HDMI TMDS的差动讯号阻抗值，主要的要求为: TMDS 差动讯号对的PCB 阻抗必须在100奥姆的+/- 15%以内(范围为85奥姆至115奥姆之间)。CTS法规里又特别有提到，可以低于或超过100 ohm的+/- 15% 一个点，但阻抗值必须落在100奥姆+/- 25%，同时其影响范围的时间周期必须在250 ps以内，如下图三所示。

图三、HDMI TMDS差动讯号线阻抗规范

如前所述，因为静电防护组件本身都会有寄生电容的效应，可预期在HDMI TMDS 差动讯号对线路上摆放静电防护组件，对阻抗势必会有一定的影响，目前有两种方法可以解决HDMI TMDS Pair 差动讯号线阻抗匹配的问题。

1. 电子组件

有些工程师在设计PCB电路时，会在HDMI TMDS 差动讯号对线路上的静电防护器件后预留高频的共模 choke，以及在主芯片之前预留串联电阻，来解决阻抗匹配的问题。

图四、HDMI TMDS差动讯号在线利用组件补偿阻抗方式示意图

2. 改变差动讯号线的线宽与线距

在PCB电路板布线时，差动讯号线的线宽，以及差动讯号线之间的距离，都会是影响阻抗匹配的关键。而加上静电防护组件有寄生电容效应的缘故，有些工程师在设计的初期，会在预计放置静电防护组件的设计路径上，故意将阻抗设计稍微高一点，以防止静电防护组件的寄生电容导致HDMI阻抗测试无法通过。一般来说，如果静电防护组件的寄生电容大于1pF，那您要用此两种方式来通过HDMI CTS的阻抗测试就非常地困难，故如您要选择静电防护组件于HDMI TMDS 差动讯号对上，建议您使用电容约在0.5pF的静电防护组件为佳。

图五、HDMI TMDS 差动讯号线改变线宽线距示意图

早期业界在HDMI TMDS差动讯号对上所使用的静电防护组件以SOT23-6L封装为主，但因为其在PCB 电路板布线时阻抗变化太大，所以后续有些系统设计者将其换成可以走顺线(feed through) 的MSOP-10L封装。最近几年，则因比MSOP-10L更轻薄短小的DFN2510P10E封装的推出，且同时仍兼具走顺线，以及更省PCB的空间等等优点，DFN2510P10E封装陆续受到广大电路设计者的使用。

图六、HDMI TMDS 差动讯号线TVS封装进化图

晶焱科技目前在HDMI TMDS差动讯号在线主推的料件也是DFN2510P10E封装的为主，其料号为AZ1143-04F以及AZ1023-04F。AZ1143-04F是含有过电压防护功能的静电防护组件，单体可耐受IEC61000-4-5 Surge(1.2/50μs)的能量约6A左右，其本身电容值约为0.45pF。同时，其在静电放电防护时的箝制电压(Clamping voltage)特性上也非常低，在使用TLP (transmission Line Pulsing) 测试下，其箝制电压约在9V左右(TLP电流约为17A)，可参考图七图试说明。使用AZ1143-04F做为静电防护组件，对HDMI TMDS 差动讯号线的阻抗特性影响很小，约只有13 奥姆而已，但仍然在安全范围内(85奥姆至115奥姆之间)。详细数据可参考图八。

图七、AZ1143-04F 的(a)电容-电压图以及(b) TLP 电流-电压图

图八、AZ1143-04F 在HDMI CTS 差动阻抗测试结果

而AZ1023-04F电容值更只有0.18pF，除此之外，ESD防护组件最重要的参数箝制电压，AZ1023-04F的箝制电压在TLP 电流约17A时约为11V (如图九所示)，对HDMI TMDS 差动讯号在线的阻抗特性约只影响8奥姆左右，仍然在安全范围内(85奥姆至115奥姆之间) ，可请参考图十说明。

图九、AZ1023-04F 的(a)电容-电压图以及(b) TLP电流-电压图

图十、AZ1023-04F 在HDMI CTS 差动阻抗测试结果

某些主芯片厂商会担心高速差动讯号线间会有串扰(Crosstalk)的问题，希望将两组高速差动讯号线间隔能拉开一点，以避免面对串扰(Crosstalk)问题。本公司为了这需求，进一步开发出AZ1023-02F，此为双信道的静电防护组件，封装为DF1210P6X，其PCB 电路板布局请参考图十一说明。AZ1023-02F电容约为0.18pF，其ESD箝制电压在17A时约为13V (图十二所示)，对HDMI TMDS差动讯号在线的阻抗特性约只影响9 奥姆左右，仍然在安全范围内 (85奥姆至115奥姆之间) ，(请参考图十三所示)。