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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的主控芯片较之前的HDMI标准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

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。

 

引脚

名称

功能描述

引脚

名称

功能描述

1

D0+

数据0+ (Data Lane0+)

11

SHIELD

数据3屏蔽(Data Lane3 shield)

2

SHIELD

数据0屏蔽(Data Lane0 shield)

12

D3-

数据3- (Data Lane3-)

3

D0-

数据0- (Data Lane0-)

13

CEC

控制信号通道

4

D1+

数据1+ (Data Lane1+)

14

ARC

①音频回传通道eARC+

②网络信号通道HEC

5

SHIELD

数据1屏蔽(Data Lane1 shield)

15

SCL

DDC时钟线

6

D1-

数据1- (Data Lane1-)

16

SDA

DDC数据线

7

D2+

数据2+ (Data Lane2+)

17

GND

地线(for DDC, CEC, ARC, and HEC)

8

SHIELD

数据2屏蔽(Data Lane2 shield)

18

+5V

+5V电源

9

D2-

数据2- (Data Lane2-)

19

HPD

①音频回传通道eARC-

②热插拔检测 HPD

10

D3+

数据3+ (Data Lane3+)

 

 

 

 

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-,D3+/D3-

HDMI 2.1拥有四组高速差分信号线，支持高达48Gbps 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。我们推荐使用湖南静芯的超低电容ESD静电保护器件SEUC2F5V1B，专为保护该接口的高速差分线路而设计。

该器件工作电压为 5 V，最小击穿电压为 6V，结电容仅为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，符合IEC 61000-4-2 (ESD) 规范，在 ±15kV（空气）和 ±10kV（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。同样推荐使用湖南静芯的SEUC2F5V1B作为该通道的静电保护器件。

  1. ARC,SCL,SDA,HPD,电源通道

 HDMI 2.1在音频传输方面，增加了eARC 功能。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。而eARC就是增强型的ARC。从原本只用14引脚进行传输变成使用14和19两个引脚组成差分传输对，传输速度也从原本的1Mbit/s提高至37Mbit/s，提供更佳的声音品质。因此，14引脚（ARC引脚）和19引脚（HPD）引脚需要连接同一个静电保护器件。

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。

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HDMI2.1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

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

 

0.3

0.5

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。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 2.1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。