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HDMI 2.0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 2.0支持4K，带宽可达到18Gbps，支持3840×2160分辨率和50FPS、60FPS帧率。HDMI电路制造商不断致力于微缩其元器件内的晶体管、连接线路及绝缘层的极限尺寸，以此实现高速电子元件的小型化设计。虽促进了设备结构的紧凑化，却也引发了在低能量水平下，器件因击穿效应导致的损坏风险显著增加这一新问题。

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。普通的防护方案或许会对数据的传输造成一定影响，随着消费类电子产品需求的持续增长，对ESD保护器件性能加强的需求也越来越强烈。此方案采用集成四通道保护、超低容值、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

引脚

名称

功能描述

引脚

名称

功能描述

1

D0+

数据2+ (TMDS Data2+)

11

SHIELD

时钟屏蔽(TMDs Clock shield)

2

SHIELD

数据2屏蔽(TMDS Data2 shield)

12

CLK-

时钟-(TMDS Clock-)

3

D0-

数据2-(TMDS Data2-)

13

CEC

控制信号通道

4

D1+

数据1+ (TMDS Data1+)

14

ARC

①音频回传通道ARC

②网络信号通道HEC

5

SHIELD

数据1屏蔽(TMDS Data1 shield)

15

SCL

DDC时钟线

6

D1-

数据1-(TMDS Data1-)

16

SDA

DDC数据线

7

D2+

数据0+ (TMDS Data0+)

17

GND

地线(for DDC, CEC, ARC, and HEC)

8

SHIELD

数据0屏蔽(TMDS Data0 shield)

18

+5V

+5V电源

9

D2-

数据0-(TMDS Data0-)

19

HPD

热插拔检测

10

CLK+

时钟+(TMDs Clock+)

 

 

 

 

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。当防护器件与电路并联时，遭遇ESD冲击后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。因此HDMI在选择ESD防护器件时需要考虑如下要求：

  1. 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
  2. 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
  3. 器件封装尺寸小，PCB设计空间充足
  4. PCB设计层面，对RF（射频）信号的布线进行优化，实现高效封装布局

 

应用示例

    

  1. 高速差分线D0+/D0-,D1+/D1-,D2+/D2-,时钟引脚CLK+/CLK-

HDMI 2.0拥有三组高速差分信号线，支持高达18Gbps 的高速数据传输。由于接口试图在传输大量内容时仍保持极高速度，因此选择合适的ESD 防护器件至关重要。除高速差分信号线之外，HDMI2.0还拥有一对频率为600MHz的时钟差分线CLK+/CLK-,用于同步芯片内各个模块的操作，确保它们按照正确的时间序列执行任务。

我们推荐使用湖南静芯的超低电容ESD静电保护器件SEUC10F5V4UB，该器件为十引脚集成式静电防护器件，专为保护该接口的高速差分线路而设计，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。将两对差分线连接一个SEUC10F5V4UB器件，将剩下的一对差分线与时钟差分线连接另一个SEUC10F5V4UB器件，可同时保护八条通道。

该器件工作电压为 5 V，钳位电压为15V，结电容仅为0.4pF，符合IEC 61000-4-2 (ESD) 规范，在 ±15kV（空气）和 ±8kV（接触）下提供瞬变保护。

  1. CEC控制信号通道

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。

推荐使用湖南静芯的常规电容ESD器件SENC2F5V1BA作为该通道的静电保护器件。该器件工作电压为 5 V，钳位电压为10V，结电容为10pF，可对单条线路进行静电防护。符合IEC 61000-4-2 (ESD) 规范，在 ±30kV（空气）和 ±30kV（接触）下提供瞬变保护。

  1. ARC,SCL,SDA,HPD,电源通道

ARC功能是指HDMI线可直接将数字音频输出到功放上解码，并在音响设备上输出。HDMI2.0的14引脚拥有ARC功能，传输速度约为1Mbit/s。为了保证频的稳定传输，需要在14引脚附近连接合适的静电保护器件。

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。

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。

以上四个引脚再加上5V的电源引脚可以通过一个六引脚的集成式ESD器件进行静电防护。我们推荐采用湖南静芯集成多路ESD静电二极管SEUC236T5V4U，可同时保护HDMI2.0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

SEUC10F5V4UB

Uni.

5

3.0

15

0.4

DFN2510-10L

SENC2F5V1BA

Bi.

5

6

10

10

DFN1006-2L

SEUC236T5V4U

Uni.

5

4.5

15

0.6

SOT-23-6L

电气特性表

At TA = 25℃ unless otherwise noted

Parameters

Symbol

conditions

Min.

Typ.

Max.

Unit

Reverse stand-off voltage

VRWM

 

 

 

5.0

V

Reverse Breakdown Voltage

VBR

IT= 1mA

6.0

7.5

8.5

V

Reverse Leakage Current

IR

VRWM=5V

 

 

1.0

uA

Clamping Voltage

VCL

IPP=1A; TP=8/20us

 

 

9.0

V

Clamping Voltage

VCL

IPP=4.5A; TP=8/20us

 

 

15.0

V

Junction capacitance

CJ

I/O pins to ground;

VR=0V; f = 1MHz

 

0.4

0.5

pF

Between I/O pins;

VR=0V; f = 1MHz

 

0.2

0.25

表1 SEUC10F5V4UB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

5.6

 

 

V

Reverse Leakage Current

IR

VRWM=5V

 

 

1.0

uA

Clamping Voltage

VC

IPP=1A; tp=8/20us

 

8.0

10.0

V

Clamping Voltage

VC

IPP=6A; tp=8/20us

 

10.0

12.0

V

Junction Capacitance

CJ

I/O to GND; VR=0V; f=1MHz

 

10

15

pF

表2 SENC2F5V1BA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

Between I/O; VR=0V; f=1MHz

 

0.3

0.5

表3 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的重要作用，保护HDMI接口免受ESD静电损害极为关键。ELECSUPER SEMI为各型号的HDMI接口提供值得信赖的保护器件。湖南静芯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 2.0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。