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HDMI不会牺牲性能的ESD保护技术设计

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标签: HDMIESD

HDMI不会牺牲性能的ESD保护技术设计

在HDMI上增加ESD保护,即使频率高达3.4GHz,也已经变得很容易

最新的HDM I.3(高清晰度多媒体接口1.3)标准把以前的HDMI 1.0 - 1.2标准所规定的数据传送速度提高了一倍,每对差动信号线的速度达到3.4 Gbps。由于数据传送速度这么高,要求电路板的电容小,确保信号的素质很好,这给电路板的设计带来了新的挑战。在解决这个问题,实现可靠的静电放电(ESD)保护时,这点尤其重要。

文档内容节选

白皮书 wwwcircuitprotectioncom 用于HDMI不会牺牲性能的ESD保护技术 在HDMI上增加ESD保护,即使频率高达34GHz,也已经变得很容易 摘要 最新的HDM I3高清晰度多媒体接口13标准把以前的HDMI 10 12标准所规 定的数据传送速度提高了一倍,每对差动信号线的速度达到34 Gbps由于数据传 送速度这么高,要求电路板的电容小,确保信号的素质很好,这给电路板的设计带 来了新的挑战在解决这个问题,实现可靠的静电放电ESD保护时,这点尤其 重要在HDMI系统设计中增加ESD保护时,如果选用合适的办法,就可以把问题 简化泰科电子的ESD和过电流保护参考设计,符合34 GHz的HDMI 13规范,达 到IEC 6100042关于ESD保护的要求,并且可以优化电路板的空间,所有这些可 以帮助设计人员减少风险本文探讨在HDMI 13系统中设计ESD保护的要求和容易 犯的错误 概述 在高清晰度视频系统中增加ESD保护,提出了许多复杂而且令人为难的问题,这会 增加成本,会延长产品上市的时间人们在选择ESD保护方案时,往往是根据解......

白皮书 www.circuitprotection.com 用于HDMI、不会牺牲性能的ESD保护技术 在HDMI上增加ESD保护,即使频率高达3.4GHz,也已经变得很容易 摘要 最新的HDM I.3(高清晰度多媒体接口1.3)标准把以前的HDMI 1.0 - 1.2标准所规 定的数据传送速度提高了一倍,每对差动信号线的速度达到3.4 Gbps。由于数据传 送速度这么高,要求电路板的电容小,确保信号的素质很好,这给电路板的设计带 来了新的挑战。在解决这个问题,实现可靠的静电放电(ESD)保护时,这点尤其 重要。在HDMI系统设计中增加ESD保护时,如果选用合适的办法,就可以把问题 简化。泰科电子的ESD和过电流保护参考设计,符合3.4 GHz的HDMI 1.3规范,达 到IEC 61000-4-2关于ESD保护的要求,并且可以优化电路板的空间,所有这些可 以帮助设计人员减少风险。本文探讨在HDMI 1.3系统中设计ESD保护的要求和容易 犯的错误。 概述 在高清晰度视频系统中增加ESD保护,提出了许多复杂而且令人为难的问题,这会 增加成本,会延长产品上市的时间。人们在选择ESD保护方案时,往往是根据解决 这个问题的办法实现起来是否容易。不过,最简单的办法也许不可能提供充分的 ESD保护,或者在电路板上占用的空间不能让人最满意。有些时候,在开始时看上 去是解决ESD保护问题的最好办法,到了后来,会发现需要使用多种电路板材来保 证时基信号达到要求。在实现一个充分的静电放电保护时,往往需要在尺寸、静电 放电保护的性能以及实现起来是否容易这几方面进行折衷。一直到现在仍然是这样。 本文的目的是讨论针对HDMI 1.3系统实现一个可靠的ESD保护时,问题之所以复杂 的原因──运行速度,并且讨论设计标准,在提供充分的静电放电保护时,必须考 虑到这些设计标准。 HDMI的速度究竟是多少? 关于HDMI的速度,有很多说法,因而设计人员在解决静电放电问题时很难选择一 个合适的办法。人们往往认为,按照最新的HDMI标准,也就是HDMI 1.3,在每秒 传送340M个像素时,数据传送速率高达10.2 Gbps。这是系统运行速度的精确的说 法,但是它并不是讲过渡时间最小的差动信号(TMDS)的传送速度。为了选出一 个充分的ESD保护办法,也一定要考虑到TMDS速度。 在前面讲过,根据HDMI 1.3规范,在每秒传送340 M个像素时,系统最快会工作在 1 10.2Gbps。关键是“最快会工作在”六个字。这就是说,接口的时钟速度会改变, 这决定于连接在它上面的发送器和接收器工作在视频的能力。因此,连接到接口上 的两个设备的分辨率越高,或者色彩深度越深,时钟就越快。HDMI只需要快到能 够传送所需数量的像素给显示设备(监视器、液晶显示电视机等等)就可以了。例 如,如果高清晰度数字视盘(DVD)播放器和液晶显示(LCD)监视器在播放1080P 格式的高清晰度视频节目、颜色深度为48位时,比起播放480i的标准清晰度DVD节 目,需要处理的信息就更多。 表1是各种分辨率和相应的每行像素数量及每帧行数。对于表1中列出的每种颜色深 度,都有一个编码位数和它对应,来传送每个像素的颜色。需要从HDMI发送器传 送到HDMI接收器的数据数量与这些变量有关,包括每秒刷新显示屏的帧数。表2是 它们的这个关系式: HDMI 数据传送速度 = X * Y * F * B 其中: X = 每行的像素数量 Y = 每帧的行数 F = 每秒的帧数 B = 每个像素的编码位数 表1. 不同版本的HDMI支持的分辨率和颜色深度 HDMI版本 一般支持的分辨率 1.0 – 1.2 1.3 表2. HDMI发送器把数据传送给HDMI接收器的速度 2 支持的颜色深度 1280 × 720像素(标准HDTV) 24位 1920 × 1080像素(高分辨HDTV)24位 24位 1280 × 720像素 30位 36位 48位(供选用) 24位 30位 36位 48位(供选用) 24位 30位 36位 48位(供选用) 1920 × 1080像素 更高的分辨率,包括: 1440像素、1600像素等等 可能的颜色数 17 M 17 M 17 M 1B 69 B 2800 T 17 M 1 B 69 B 2800 T 17 M 1 B 69 B 2800 T 变化 变化 90 变化 1080p 1400p、 1600p等等 实际的HDMI数据接口由4对过渡过程最小的差动信号线组成:3路差动数据通道, 一路是时钟,每路是一对差动连接线,如图1所示。 HDMI信号源 (发送器) HDMI接收端 (接收器) TMDS 数据O- TMDS 数据O+ TMDS数据1- TMDS数据1+ TMDS数据2- TMDS数据2+ TMDS时钟- TMDIS时钟+ X(包括刷 新像素) [每行像素 数] 2200 Y(包括刷 新行数) [每帧行数] 1125 视频格式 1080i 1080p [每秒帧 数] 30 60 F 颜色深度 B HDMI数据速度 [每个像素的位 数] 30 36 48 30 36 48 36 30、36、48 [Gbps] [每个像素的编 码位数] 37.5 45 60 37.5 45 60 45 37.5、45、60 最高为10.2Gbps 2.78 3.34 4.46 5.57 6.68 8.91 10.02 图1. 实际的HDMI数据接口。 如图1所示,三对TMDS数据线的频带要宽到能够传送和接收的数据速度最高为10.2 Gbps。因此,这三对TMDS数据线一定要能够以10.2 Gbps/ 3 × 3.4 Gbps(或者 GHz)的速度传送信号。 为了说明每对实际的TMDS线的数据传送速度,在表3中把表2中的信息和每一对 TMDS数据线的速度以及对应的信号时钟速度放在一起。 表3. TDMS传送信号的速度与时钟的速度 3 视频格式 X(包括刷 新像素) Y(包括刷 新行数) F 颜色深度 B [每行像素 数] 2200 [每帧行数] [每秒帧数] 1125 30 60 1080i 1080p HDMI数据 速度 [Gbps] 每路TMDS 通道的信号 传送速度 [Gbps] 2.78 3.34 4.46 5.57 6.68 8.91 10.02 最高为10.2 Gbps 0.93 1.11 1.49 1.86 2.23 2.97 3.34 最高为3.4 Gbps [每个像素 的位数] 30 36 48 30 36 48 36 30、36、48 37.5、45、 [每个像素 编码位数] 37.5 45 60 37.5 45 60 45 60 变化 变化 90 变化 1080p 1440p、 1600p等等 设计人员一般也会注意到,在HDMI 1.3标准中,TMDS时钟的速度是340 MHz,比 传送数据或者传送信号的速度低很多。对于标准的频色深度,即每个像素为24位时, 在每对TMDS数据线上传送的数据等于每个像素的编码位数30位。因此,在三路 TMDS通道中,在‘系统’时钟的一个周期内,每一路必须传送10位。所以,信号 的时钟和数据速度等于‘系统’的TDMS时钟速度的十倍。此外,在颜色深度较深 时,信号的时钟速度较高,以便传送每个像素的更多编码位数。连接线的数据传送 速度、TDMS信号的速度,以及‘系统’的TDMS时钟速度之间的关系列于表4。 表4. TMDS传送信号的速度和‘系统’的TMDS时钟速度 视频格式 颜色深度 [每个像素的位数] 24 30 3 48 24 30 36 48 36 30、36、48 每个像素的编 码位数 HDMI数据速度 每路TMDS通道 的信号传送速度 [Gbps] 0.74 0.93 1.11 1.49 1.49 1.86 2.23 2.97 3.34 最高为3.4 Gbps 最高为340 MHz 系统的TMDS时 钟速度 [Gbps] 74.3 92.8 111.4 148.5 148.5 185.6 222.8 297.0 334.1 [Gbps] 2.23 2.78 3.34 4.46 4.46 5.57 6.68 8.91 10.02 30 37.5 45 60 30 37.5 45 60 45 37.5、45、60 最高为10.2 Gbps 1080p 1440p、 1600p等等 在这里作一个小结:HDMI运行的速度取决于发送器和接收器的能力,以及信号源 的分辨率和颜色深度。每对TDMS数据线的速度最高是3.4 GHz。 在HDMI系统中增加ESD保护时在时基信号/性能方面的考虑 在HDMI 系统中增加ESD保护时,要考虑到增大了的电容和电感对高速TMDS数据 线上所用器件的时基信号的影响。当各对TMDS数据线工作在3.4 GHz时,在连接 线上增加一点点阻抗都会引起信号产生畸变,结果是: .更难满足眼图中对上升时间和电平的要求 1080i 1080p 4 .对电路板设计的约朿增多 .系统的性能较差 为了减少时基信号对这些高速线路的影响,关于ESD保护器件,在技术上有关键性 的四点要考虑到。 1. 电容小 2. 插入损失小 3. 频率变化时电容保持稳定 4. 做好电路板的设计,能在3.4 GHz运作,并有余量 1.电容小 HDMI的时基信号的性能一般是通过眼图来测定的──眼图是分析时基信号的工 具,它能够精确地显示时基信号和电平的误差。在眼图中间的灰色地带代表HDMI 1.3规范的要求。随着眼图中的线条接近灰色地带,允许的误差余量就越小。利用眼 晴的宽度可以很好地测定数据线的时基稳定程度,而且可以看到是否存在误差。眼 晴的高度表示信号的电平,或者振幅。 由于 HDMI的各对TMDS连接线路上的信号是差动的,很重要的一点是减少两条线 之间的电容和信号对地的电容,从而保证信号的上升时间和下降时间在规定的范围 之内。最好是,电容要尽量小,这样给设计人员留下的余地就更大。 泰科电子的PESD的电容是0.25 pF,工作在3.4 GHz时的眼图如图2所示。 图2. 泰科电子的PESD的电容是0.25 pF,图中是它工作在3.4 GHz时的眼图。 在这个眼图中我们看到,当工作HDMI 1.3标准规定的3.4 GHz时,上升时间、下降 时间和信号电平之间有一定余量。当工作较低的速度时,眼图“干凈”得多,余量 增大,可以放宽设计的约朿。 图3. 硅半导体ESD保护器在2.25 GHz时的眼图。 5
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