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HDMI接口如何选择ESD保护器件

已有 252 次阅读| 2025-8-5 14:12 |个人分类:静芯微|系统分类:芯片设计| HDMI接口防护

1 HDMI接口介绍

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采用TMDS（最小化传输差分信号）技术传输音视频数据。HDMI的1-9引脚为包含3组差分数据通道（Data0-Data2），每组由正信号、负信号和屏蔽地组成；10-12引脚为时钟通道，为数据传输提供同步时钟信号，确保接收端正确解码数据。HDMI 2,1标准开始引入FRL（Fixed Rate Link）模式，TMDS Clock引脚被重新定义，在 TMDS模式下，可兼容旧设备，时钟引脚功能不变；在 FRL模式下，时钟引脚改为 FRL Lane 3，可传输数据，不再单独传输时钟。

13引脚为CEC引脚。CEC 是与其他 HDMI 信号分开的电信号，拥有一套完整的单总线协议，电子设备可以借着 CEC 信号让使用可控制 HDMI 接口上所连接的装置，实现由单一遥控器控制所有 HDMI 连接的装置。该通道允许 HDMI 设备在没有用户干扰情况下互相命令控制，最多可以控制 15 个设备。

14引脚为可选功能引脚。在HDMI 1.0至1.3版本中，14号引脚被定义为保留引脚，通常未分配具体功能。HDMI 1.4版本引入了HEC（以太网通道）和ARC（音频回传通道）功能，HEC功能支持100Mbps以太网数据传输，使HDMI线缆能够同时传输音视频信号和网络数据；在支持ARC的设备中，14号引脚可用于传输音频回传信号，允许电视通过HDMI线将音频信号回传至功放或音响设备，简化家庭影院系统的布线。HDMI 2.1版本进一步升级了音频回传功能，推出eARC（增强型音频回传通道），14号引脚的作用再次扩展

15、16引脚分别为SCL 引脚和 SDA 引脚。SCL 引脚和 SDA 引脚分别作为 HDMI 接口的 DDC 时钟和数据通道，通过这两个引脚可让传送端与接收端得知彼此的传送与接收能力，最后可放送出符合电视分辨率的影像画面。

17引脚为DDC、CEC和HEAC（HDMI以太网通道）提供接地参考。

18引脚提供5V电源（最大电流50mA），用于为显示器EDID芯片或低功耗电路供电。

19引脚为HPD 引脚。HPD 引脚拥有热插拔检测功能，其作用是当显示器等 HDMI 接口的显示设备通过HDMI/DVI 接口与 HDMI 源端相连或断开连接时， HDMI源端能够通过 HDMI/DVI 的 HPD引脚检测出这一事件，并做出响应。HDMI 2.1版本中引入了eARC功能。eARC通过重新利用HPD引脚与Utility引脚（14引脚），将它们组合成一对差分信号，实现了高达100MHz的带宽传输。

2 HDMI接口保护器件选择

2.1 如何选择器件截止电压

器件截止电压应大于被保护电路的最大工作电压，否则会影响被保护电路的正常工作。

以HDMI 1.4标准为例，根据规范，TMDS数据传输引脚的工作电压为3.3V（±5%），TMDS数据传输差分线上的保护器件应选择等于或者大于 3.3V 的 ESD 保护器件。

以HDMI 2.1标准为例，根据规范，CEC, SCL, SDA, PWR, HPD引脚的工作电压为5V，相关引脚保护器件应选择等于或者大于5V 的 ESD 保护器件。

2.2 如何确定器件电容

在一些高速数据接口线路上，ESD 保护器件的结电容应选择尽量的小，以避免影响信号完整性。保护器件的寄生电容有可能与传输线阻抗形成RC电路，对高频信号产生衰减；若保护器件电容过大，也有可能会改变线路等效阻抗，引发信号反射。因此为高速信号线选择合适的 ESD 防护器件至关重要。

8b/10b编码是HDMI早期版本的核心编码技术。其原理是将每8位原始数据编码为10位传输，通过增加2位冗余实现DC平衡（信号电平稳定）和最小化电位转换次数，从而降低电磁干扰（EMI）并提升信号完整性。该编码方式有效数据效率为80%（10位中8位为有效数据），广泛应用于HDMI 1.2至2.0版本。

HDMI的速率由时钟频率和编码效率共同决定，核心公式为：

速率=时钟频率×每周期位数×通道数

HDMI 1.4的时钟速率为340MHz，则其传输速率=340MHz×10×3=10.2 Gbps。

HDMI 2.0版本每通道速率上升至6 Gbps，则总带宽可达18Gbps。

HDMI 2.1标准引入 16b/18b编码（FRL技术），彻底革新传输机制。FRL（Fixed Rate Link）通过4个通道传输数据，每个通道采用16b/18b编码，有效数据效率提升至88.8%（18位中16位为有效数据）。该技术使总带宽达48Gbps（单通道12Gbps），支持8K@60Hz、4K@120Hz及动态HDR。

FRL模式通过时钟数据恢复（CDR）技术从数据流中提取时钟信号，无需独立时钟通道，在 4 条数据通道中传输高速数据，HDMI 2.1的每条通道带宽可为 6、8、10 或 12 Gbps。总带宽计算公式为：

总带宽=激活车道数×单车道速度

HDMI 2.1拥有两种模式：

l 典型配置：使用全部 4 条车道且单条车道速率为 12 Gbps 时，理论最大带宽为 4×12=48Gbps；

l 增强模式：若单条车道速率达到 24 Gbps，理论最大带宽可提升至 4×24=96Gbps。

HDMI信号传输线上传输的都为千兆以上的高速信号，推荐ESD器件电容暂时不能准确得出，我们根据项目中的整改经验和眼图测试结果总结下表。

其他线路由于不需要传输高速信号，对电容的要求不高，建议选择电容值<10 pF的器件。

2.3 如何判断深回扫器件在电路中是否发生闩锁效应

2.3.1 什么是ESD器件的闩锁效应

回扫型ESD防护器件具有超小封装体积、超低钳位电压、超低结电容特性，相比常规工艺ESD器件防护效果更优，且不影响信号完整性，可更有效保护USB端口免受瞬态过电压的影响，为相关电子产品设备加固防护，提升消费者使用体验。

常规型ESD的电压会随着IPP（峰值脉冲电流）的增加而等比例增加，呈现出一个较为线性的增长趋势。深回扫型ESD器件在当电压达到VT（触发电压）后会瞬间将两端电压拉低，进入一个小于工作电压VRWM的较低电压VHOLD,之后随着电流的增加电压逐渐增大，如图10所示;浅回扫型ESD器件在当电压达到VT（触发电压）后会瞬间将两端电压拉低，进入一个稍大于工作电压VRWM的电压VHOLD,之后随着电流的增加电压逐渐增大，如图11所示。

深回扫器件在使用过程中，很容易面临一个问题——闩锁效应。闩锁效应是回扫型ESD器件（如SCR、GGNMOS等）在静电放电（ESD）保护过程中可能发生的一种非预期自维持导通现象。当ESD上的电压超过触发电压（VT）后，SCR进入回扫（Snapback）状态，电压降至维持电压（VHOLD）。如果电源电压（Vdd）高于维持电压（VHOLD），且电流超过维持电流（IHOLD），SCR会持续导通，无法自动关断，形成闩锁，使元件持续维持在导通状态无法被截止。

浅回扫器件由于可以保证VHOLD>VRWM，不存在闩锁的风险。

若元件发生闩锁效应，信号无法正常传输，可能会导致电流持续增大，引发金属线熔断或器件损坏。闩锁还可能引发芯片逻辑异常，电源短路，需断电重启才能恢复。反复闩锁产生的局部高温可能加速材料老化（如金属迁移、电迁移），缩短芯片寿命。

2.3.2 如何解决ESD器件的闩锁效应

如果要将闩锁效应解除，必须使系统断电，或者满足

Vbias < VHOLD OR Ibias < IHOLD

在芯片ESD防护设计中，需仔细评估维持电压（VHOLD）、维持电流（IHOLD）与电源电压（Vdd）的关系，确保闩锁不会在正常工作条件下被触发。

① 以HDMI 1.4为例

差分线上的工作电压为3.3V（±5%），则Vdd-max=3.5V

终端电阻为50Ω（±10%），则RS-min=45ohm