HDMI2.1 ESD防护方案

电子产品上可用于传送影音数据的端口众多，例如： Display Port、CVBS、HDMI... 等，其中又以HDMI接口的普及度最高，像笔记本电脑、电视、机顶盒... 等，都可以观察到HDMI接口的存在。  

        HDMI协会于2017年发布了HDMI2.1的规范，HDMI2.1的高速视频信号（TMDS）的传输速度由原先HDMI2.0的 18Gbps提高至48Gbps，分辨率也从4K提升至8K。 在高速视频信号差分对（TMDS Pairs）的传输方式上，HDMI2.0是由三组TMDS Data Pairs（Data0， Data1，Data2）差分信号和一组TMDS Clock Pair所组合而成(（Data2）差分信号和一组TMDS Clock Pair所组合而成（ 如图一所示 )，而HDMI2.1则是使用跟Display port架构类似的FRL（Fixed Rate Link）模式传输技术，将4组高速差分信号都定义成Data lane（ Lane0， Lane1， Lane2， Lane3），再由信号中分离出Clock，这样的架构可以将传输速率提升(如图二所示)。 此外，HDMI2.1的主芯片制程也较HDMI2.0更加先进，对ESD的耐受度也会明显降低。

在音频部分，也增加了eARC功能，从原本只用Pin14的Common mode传输架构（ ARC）变成使用Pin14 and Pin19差分对传输架构，传输速度也从原本的 1Mbit/s 提高至37Mbit/s，可以提供更佳的声音质量。 

        在电子产品开发设计时(例如STB，Monitor，笔记本电脑)，许多品牌厂家为了防止因用户端插拔过程中产生的ESD能量而导致HDMI 信号异常的问题，在产品ESD（IEC61000-4-2）验证时，除针对机构或接口连接器部分进行空气放电及接触放电测试外，也会直接对HDMI端口讯号线进行direct pin injection静电放电测试 (目前最高测至 8kV），用来模拟使用者插拔Cable所产生的ESD现象，以降低市场端客退的问题。 但在这样严苛的测试条件下，主芯片可能无法承受，需要在HDMI端口加上ESD保护组件，来防止ESD问题产生。 

        目前在HDMI 2.1端口高速差分信号ESD防护方面，晶焱科技建议的方案为DFN2510P10E封装的四通道防护组件AZ1123-04F。 这样的设计在PCB走在线非常方便，其组件的寄生电容值为0.2pF（Typ.） ，单体可耐受IEC 61000-4-5 Surge （8/20ms）的能量约6.5A。 而在静电防护组件最重要的箝位电压 （Clamping Voltage）参数方面 ，从图三AZ1123-04F TLP I-V特性曲线可发现其箝位电压在16A（ESD 8kV）时仅约为10V 。

        而在HDMI低速讯号线（SDL/SDA/HPD/Pin 14）的防护方面，建议采用SOT23-6L封装的AZC199-04S，其单体可耐受IEC 61000-4-5 Surge （8/20m s）的能量约6A，ESD的箝位电压在16A时仅为11V（如图四)。

        如果使用了CEC讯号线，推荐DFN1006P2X封装的AZ5123-01F进行防护，其ESD的箝位电压在16A 时仅为 7V（如图五所示)，当有ESD能量 来临时，可更有效的保护系统。

        在系统开发设计时，建议可将ESD元件先设计至电路，做好信号线上的ESD保护，这样可避免不必要的市场端返修问题，HDMI2.1建议的ESD完整对策如下图。 

图六. HDMI2.1 ESD 防护对策