TE不降低性能的HDMI的ESD保护
中心议题：
不以牺牲性能為前提的HDMI静电放电保护
為HDMI添加静电放电保护，即使在3.4GHz下，也会变得更為容易
摘要
最新的高清晰度多媒体接口(HDMI)1.3标準的数据速率达到了3.4Gbps，是以前HDMI1.0 - 1.2标準的两倍。更高的数据传输速率為设计具有低电容且能保证足够的信号完整性的稳定电路板带来了新的挑战。尤其对实施强大的静电放电(ESD)保护解决方案尤為重要。通过选择合适的解决方案可以简化HDMI系统设计中的ESD保护。TE电路保护的ESD和过电流保护参考设计符合HDMI1.3在3.4GHz条件下的规范，满足IEC61000-4-2关於ESD保护规范的要求，优化电路板空间，所有这些都有助於最大程度地减少设计人员的风险。本文探讨了在HDMI1.3系统中设计ESD保护的要求和缺陷。
概述
在高清晰度视频系统中添加ESD保护引发了许多可能增加成本和上市时间的复杂且令人睏惑的问题。通常会基於解决方案看起来是否易於实施而做出选择；然而，最简单的方法可能无法提供足够的ESD保护性能或最佳的电路板占用空间。在其他一些情况下，那些在一开始似乎是最好的ESD保护解决方案，后来发现需要多次电路板绕线来确保满足适当的时序。提供充分的保护通常意味著要在尺寸、ESD保护性能和实施的便利性之间做出权衡。直到现在為止一直都是。
本文的目的是要讨论為HDMI1.3系统实施强大的ESD保护的复杂性主要成因-运行速度，以及提供充分保护所必须考虑的设计标準。
HDMI的运行速度究竟是多少？
HDMI速度的反映方式有多种，因此设计人员很难选择适当的ESD解决方案。最新的HDMI标準，HDMI1.3的运行速度通常被定為在340 Mpixels/s下高达10.2Gbps。这是对系统运行速度的準确描述，但是没有对最小化差分信号传输(TMDS)的速度进行描述。TMDS的速度也必须加以考虑，以选择一个适当的ESD保护解决方案。
如前所述，按照HDMI1.3规范，系统运行速度在340Mpixels/s下高达10.2Gbps。关键词是“运行速度高达”。这仅仅意味著接口会根据所连接的发射机和接收机的视频功能而改变其时鐘频率。因此，这两个连接设备的分辨率或色彩深度越高，时鐘频率就会越高。HDMI仅需要在足以传输所需的像素量的速度下运行，以驱动显示设备(显示器、液晶电视等)。例如，如果一台高清晰度数字视频光盘(DVD)播放器和液晶显示器(LCD)在播放高清晰度视频时以48位色彩深度的1080P全屏运行，将会比播放480i标準清晰度的DVD时需要处理更多的信息。
表1显示了每种分辨率和相应的每行像素和每帧行数。对於表1列出的每一个色深，都有一个相应的為每个像素顏色而传输的编码比特数。需要从HDMI发射器发送至HDMI接收器的数据量可以被解释為这些变量之间的关係，包括更新屏幕所需的帧数。表2描述了这种关係：
HDMI数据传输速率=X*Y*F*B
其中： X=每行像素数
Y=每帧行数
F=每秒帧数
B=每像素编码比特数
如图1所示，三个TDMS对需要能够发送和接收高达10.2Gbps的带宽。因此，三个TMDS信号对每一个都必须能在10.2Gbps/3=3.4Gbps(或GHz)下进行信号通讯。
為了说明链路数据速率和物理TMDS对之间的关係，表3结合了表2中的信息与TMDS对信号速度，以及相应的信号时鐘速度。
设计人员通常也註意到HDMI1.3规范指定的340MHz TMDS时鐘速率比数据或信号速率要慢的多。在标準的24位/像素的色彩深度下，通过TMDS对传输的数据等同於每像素30比特的编码数。因此，三个TMDS通道的每一个通道都必须在一个“系统”时鐘周期内传输10比特。
因而信号时鐘和数据传输率相当於“系统”TMDS时鐘速率的十倍。此外，对於更高的色彩深度，信号时鐘速率会更高，以适应传输更多每像素编码比特数。表4中描述了链路数据速率、TMDS信号速率和“系统”TMDS时鐘速率之间的关係。
总之，HDMI运行的速度取决於发射器和接收器的功能，以及信号源的分辨率和色彩深度。 TMDS对运行的速度高达3.4GHz。
HDMI系统添加ESD保护时应註意的时序和性能问题
HDMI系统添加ESD保护时，关键要考虑额外的电容和电感对高速TMDS对上所保护设备时序的影响。在TMDS对上以高达3.4GHz的速度运行，线路上任何额外的阻抗都能使信号失真，导致：
• 满足上昇时间和信号电平所需的眼图难度更大，
• 在电路板设计上限制增加，且
• 系统级性能更低
為了尽量减少对这些高速线时序的影响，关於ESD保护器件需要做四个关键的技术方面的考虑。
1. 低电容
2. 低插入损耗
3. 稳定的电容与频率关係
4. 良好的佈局，為3.4GHz运行速率提供足够的裕度
1. 低电容
HDMI的时序性能通常以眼图来衡量。眼图是用来提供时序和电平误差的精确直观显示的时序分析工具。眼图中部的灰色区域代表了HDMI1.3规范。当眼线延伸至灰色区域，容错裕量越小。眼宽是度量数据线稳定的时间长度的良好工具，如果存在任何错误。眼高是信号的水平或幅度的衡量。
由於HDMI的TMDS对為差分信号，尽量减少信号对之间和信号对地电容很重要，以确保信号的上昇和下降时间满足规范。最佳的方式是，电容应尽量低，以使设计人员有尽可能多的裕度。
TE电路保护的0.25pFPESD保护器件在3.4GHz速率下运行时的眼图表现如图2所示。
该图显示了在HDMI1.3规范规定的最高速率3.4GHz运行时，信号的上昇和下降时间以及信号电平都有一定的设计裕度。当以较低速度运行时，眼图更為“干凈”，并提供更多的裕度，因此缓解了设计上的限制。
如图3所示，硅解决方案具有更高的电容。虽然它们的眼图通常在2.25GHz或1.48GHz运行速度下测量，以符合1080p的36位和24位色彩深度，但是即使是在这些速度下，它们的眼图也似乎延伸至HDMI1.3规范。这可能会导致电路板设计上的限制增加。
2. 低插入损耗
插入损耗是信号衰减随频率变化的重要衡量。较高的插入损耗转化為器件和系统中的较低带宽，增加了额外的设计限制以满足眼图的水平。
图4对TE电路保护的PESD器件和普通的0.7pF硅静电放电保护解决方案进行了对比。TE电路保护的PESD器件的插入损耗可以忽略不计，即使是在HDMI1.3规范规定的最高速度3.4GHz运行时。普通的0.7pF硅静电放电保护器件通常表现出其插入损耗随频率增加急剧增加的特点，当HDMI以1080p 36位色彩深度的2.25GHz速度运行时，给TMDS信号引入的插入损耗超过3dB。以更高的分辨率和顏色深度的3.4GHz全速运行时，硅静电放电保护器件可以造成超过6dB的信号衰减，有效地消减了一半以上的信号电平。
3. 稳当的电容与频率
ESD保护器件的电容随频率行為也可以影响到HDMI端口的设计性能，以及造成设计限制。在高速系统中，针对一定电容设计的电路可以表现出不同的行為，这取决於所使用的ESD保护技术。这常常迫使设计人员在设计HDMI电路保护方案时，使用复杂的软件过程改进和能力确定(SPICE)模型和模拟。
如图5所示，TE电路保护的PESD器件在3GHz速度下具有稳定的电容和频率关係。其行為非常类似於一个0.25pF(典型值)的电容，从而可以大大简化设计。由於HDMI的TMDS对根据数据模式，视频源的分辨率和色彩深度改变运行频率，瞭解ESD保护器件的电容在很宽的频率范围内是稳定的特点可以為设计人员提供更多的自由度和灵活性。
重要的是要在一个宽的频率范围内考虑电容的稳定性，而不是在一个单一或有限的范围内。例如，硅静电放电保护通常在1MHz下测量电容，但是没有定义其他频率下的电容。这可能会导致需要复杂的建模以确保在HDMI宽广的频率操作满足性能。
4. 良好的佈局，為3.4GHz运行速率提供足够的裕度
HDMI设备的设计人员面临开发消费电子设备的共同挑战 - 上市时间。在设计高频率的应用时，参考设计在最大限度地降低风险、工程造价和再设计时间上起关键作用。在HDMI设计中增加ESD保护也不例外。
TE电路保护现已提供了业界首款基於无源器件用於HDMI1.3的ESD和过电流保护参考设计佈局。
这个参考设计可以帮助设计人员将时间和资源专註於开发关键和差异性功能，而不用去担心添加ESD保护会不会影响HDMI的性能。
该参考设计已经过测试，符合在最高速度 - 3.4GHz运行时HDMI1.3规范要求，并具有裕度。一个在3.4GHz速度下符合HDMI规范的参考设计不仅对於开发下一代电脑显示器、视频卡、和视频屏幕的设计人员来说很重要；3.4Ghz的设计同时提供了电路板裕度，放宽了设计限制，且常常可以降低具有较低速度的HDMI1.3设计的电路板成本。
TE电路保护的参考设计的主要特点：
• 向后兼容HDMI1.0-1.2标準
• 经验证性能符合3.4GHz速率下的HDMI1.3规范要求
• 包括一个适用於+5伏电源的可选过流保护(适用於HDMI发射器)
• 佈局设计文件，PESD spice模型，和测试结果 - 包括时域反射(TDR)，眼图和远端串扰测量 - 根据要求提供
• 有助於通过IEC 61000-4-2的静电放电保护规范：+/-15kV(空气)，+/-8kV(接触)
• 静电放电保护採用TE电路保护的低电容(0.25pF)PESD器件
• 在+5伏电源的过电流保护上採用TE电路保护的nanoSMD器件
• 与Efficere，公司共同设计和验证(www.efficere.com) - HMDI测试夹具的领导者
总结
在设计HDMI系统时，如果找到妥善的解决方法，增加ESD保护不会是复杂而令人睏惑的任务。儘管目前这一代的设备可能不需要HDMI1.3在3.4GHz全速运行时的性能表现，但使用能通过3.4GHz要求的ESD保护解决方案可以减少设计上令人头疼的问题，增加系统裕度，并可以避免以后在ESD保护方案上的重新设计的必要，减轻下一代设备设计上的睏难。TE电路保护的ESD和过电流保护参考设计符合HDMI1.3规范在3.4GHz运行速度下的要求，提供符合IEC61000-4-2要求的ESD保护，优化了电路板空间，且有助於最大限度地减少设计风险。
