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HDMI 2.1静电保护方案

热度 1已有 918 次阅读| 2024-9-14 16:47 |个人分类:静芯微|系统分类:芯片设计

HDMI 2.1静电保护方案

方案简介

HDMI(高清多媒体接口)是一种全数字化视频和声音发送接口，可以发送未压缩的音频及视频信号，广泛应用如消费类产品上，如机顶盒、DVD播放器、个人计算机、电视、游戏主机、综合扩大机、数字音响与电视机等设备。HDMI 2.1标准由HDMI协会在2017年正式发布，其关键改进在于将视频信号传输速率从HDMI 2.0的18Gbps大幅跃升至48Gbps，同时支持的分辨率CAN总线CAN总线上限由4K升级至8K。

HDMI接口作为一种热插拔端口，其设计易受到静电放电的损害，造成内部芯片的损坏，尤其是在与用户终端或带电电缆的连接过程中。HDMI 2.1的主控芯片采用了更为先进的制程技术，但是对静电放电（ESD）敏感度一定程度降低，需要更优秀的抗干扰保护。普通的防护方案或许会对数据的传输造成一定影响，此方案采用低电容低漏电的ESD静电防护器件，在不影响数据传输的前提下满足HDMI兼容性测试规范(CTS)的信号完整性和阻抗要求，让后端的电路得到有效防护。

HDMI的引脚配置

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引脚	定义	引脚	定义
1	数据3+ (Data Lane3+)	11	数据0屏蔽(Data Lane0 shield)
2	数据3屏蔽(Data Lane3 shield)	12	数据0- (Data Lane0-)
3	数据3- (Data Lane3-)	13	CEC
4	数据2+ (Data Lane2+)	14	保留
5	数据2屏蔽(Data Lane2 shield)	15	DDC时钟线(SCL)
6	数据2- (Data Lane2-)	16	DDC数据线(SDA)
7	数据1+ (Data Lane1+)	17	DDC/CEC地(DDC/CEC GND)
8	数据1屏蔽 (Data Lane1 shield)	18	+5V电源(Power)
9	数据1- (Data Lane1-)	19	热插拔检测 (Hot Plus Detect)
10	数据0+ (Data Lane0+)

HDMI 2.0采用传统的三对数据差分对（TMDS Data0, Data1, Data2）搭配一个时钟对（TMDS Clock Pair）的结构，而HDMI 2.1则创新性地采用了类似DisplayPort的FRL（固定速率链路）技术，将4组高速差分信号都定义成Data lane（ Lane0， Lane1， Lane2， Lane3），并直接从信号中提取时钟，这一转变显著提升了数据传输效率。

HDMI的ESD防护

针对每条差分线承受的最大3.3V工作电压，特别是在极高速数据传输环境下，ESD防护器件的作用显得尤为关键。ESD防护在瞬态事件突发时，需凭借超低线间电容来维持电路安全，同时丝毫不减损信号的纯净度与完整性。鉴于TVS与电路并联的布局，遭遇ESD冲击时，电路承受的电压即等同于ESD防护器件的钳位电压，故确保钳位电压尽可能低。因此，理想的保护器件应兼具低ESD峰值钳位电压和低动态电阻的优越特性，以有效限制电压尖峰并减少能量损耗。这对HDMI在选择ESD防护器件时需要考虑如下要求：

确保信号完整性，实现极高的二极管开关速度和极低的线电容
经过若干次ESD冲击后，防护性能不退化且泄漏保持在较低水平
器件封装尺寸小，PCB设计空间充足
PCB设计层面，对布线进行优化，实现高效封装布局

应用示例

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我们为HDMI 2.1接口提供了两种ESD静电防护器件，专为保护该接口的高速差分线路而设计，型号分别为SEUC2F5V1B和SEUC236T5V4U。分立器件减少了生产成本，集成式器件的流通式封装设计简化了 PCB 布局，减少布线过程中的不连续性，促进了信号完整性和系统稳定性的提升。

其中SEUC2F5V1B结电容仅有0.2pF，可对单路高速数据线进行静电防护，可以使用八个SEUC2F5V1B来保护四个Lane通道。它的工作电压为 5 V，最小击穿电压为 6V，符合IEC 61000-4-2 (ESD) 规范，在 ±15kV（空气）和 ±10kV（接触）下提供瞬变保护。

DDC时钟和数据通道的防护采用了集成多路ESD静电二极管SEUC236T5V4U，可同时保护HDMI2.1的五个引脚免受静电放电(ESD)和低等级浪涌事件的冲击与干扰。它的工作电压为 5 V，结电容仅有0.6pF，符合IEC 61000-4-2 (ESD) 规范，在 ±17kV（空气）和 ±12kV（接触）下提供瞬变保护。

型号参数

规格型号	方向	工作电压(V)	IPP(A)	钳位电压(V)	结电容(pF)	封装
SEUC2F5V1B	Bi.	5	3.0	18	0.2	DFN1006-2L
SEUC236T5V4U	Uni.	5	4.5	15	0.6	SOT-23-6L

电气特性表

At TA = 25℃ unless otherwise noted

Parameter	Symbol	Conditions	Min.	Typ.	Max.	Units
Reverse Stand-off Voltage	VRWM				5.0	V
Reverse Breakdown Voltage	VBR	IT=1mA	6.0			V
Reverse Leakage Current	IR	VRWM=5V			1.0	uA
Clamping Voltage	VC	IPP=1A; tp=8/20us		12.0	14.0	V
Clamping Voltage	VC	IPP=3A; tp=8/20us		18.0	20.0	V
Junction Capacitance	CJ	I/O to GND; VR=0V; f=1MHz		0.2	0.3	pF

表1 SEUC2F5V1B电气特性表

Parameter	Symbol	Conditions	Min.	Typ.	Max.	Units
Reverse Stand-off Voltage	VRWM				5.0	V
Reverse Breakdown Voltage	VBR	IT=1mA	6.0			V
Reverse Leakage Current	IR	VRWM=5V			1.0	uA
Clamping Voltage	VC	IPP=1A; tp=8/20us		9.0	11.0	V
Clamping Voltage	VC	IPP=4.5A; tp=8/20us		12.0	15.0	V
Junction Capacitance	CJ	I/O to GND; VR=0V; f=1MHz		0.6	1.0	pF
Junction Capacitance	CJ	Between I/O; VR=0V; f=1MHz		0.3	0.5	pF

表2 SEUC236T5V4U电气特性表

总结与结论

由于HDMI在家庭娱乐和智能办公中发挥着重要作用，且一直在向实现更高的画质和更流畅的性能表现发展，保护HDMI接口免受ESD静电损害极为关键。ELECSUPER SEMI研发各种低电容低钳位电压的ESD保护器件，可按照客户需求性能与封装提供定制化开发服务，为各种接口提供值得信赖的保护器件。以上解决方案是保护 HDMI 2.1的优选之策，确保消费者能够高品质享受视听体验的流畅无阻