用于HDMI接口的ESD保护技术

如图1所示，三对TMDS数据线的频带要宽到能够传送和接收的数据速度最高为10.2 Gbps。因此，这三对TMDS数据线一定要能够以10.2 Gbps/ 3 × 3.4 Gbps（或者GHz）的速度传送信号。

为了说明每对实际的TMDS线的数据传送速度，在表3中把表2中的信息和每一对TMDS数据线的速度以及对应的信号时钟速度放在一起。

设计人员一般也会注意到，在HDMI 1.3标准中，TMDS时钟的速度是340 MHz，比传送数据或者传送信号的速度低很多。对于标准的频色深度，即每个像素为24位时，在每对TMDS数据线上传送的数据等于每个像素的编码位数30位。因此，在三路TMDS通道中，在‘系统’时钟的一个周期内，每一路必须传送10位。所以，信号的时钟和数据速度等于‘系统’的TDMS时钟速度的十倍。此外，在颜色深度较深时，信号的时钟速度较高，以便传送每个像素的更多编码位数。连接线的数据传送速度、TDMS信号的速度，以及‘系统’的TDMS时钟速度之间的关系列于表4。

表3：TDMS传送信号的速度与时钟的速度。

表4： TMDS传送信号的速度和‘系统’的TMDS时钟速度。

在这里作一个小结：HDMI运行的速度取决于发送器和接收器的能力，以及信号源的分辨率和颜色深度。每对TDMS数据线的速度最高是3.4 GHz。

在HDMI系统中增加ESD保护时在时基信号/性能方面的考虑

在HDMI 系统中增加ESD保护时，要考虑到增大了的电容和电感对高速TMDS数据线上所用器件的时基信号的影响。当各对TMDS数据线工作在3.4 GHz时，在连接线上增加一点点阻抗都会引起信号产生畸变，结果是：
．更难满足眼图中对上升时间和电平的要求
．对电路板设计的约朿增多
．系统的性能较差

为了减少时基信号对这些高速线路的影响，关于ESD保护器件，在技术上有关键性的四点要考虑到：
电容小
插入损失小
频率变化时电容保持稳定
做好电路板的设计，能在3.4 GHz运作，并有余量

1. 电容小

HDMI的时基信号的性能一般是通过眼图来测定的──眼图是分析时基信号的工具，它能够精确地显示时基信号和电平的误差。在眼图中间的灰色地带代表HDMI 1.3规范的要求。随着眼图中的线条接近灰色地带，允许的误差余量就越小。利用眼晴的宽度可以很好地测定数据线的时基稳定程度，而且可以看到是否存在误差。眼晴的高度表示信号的电平，或者振幅。

由于?HDMI的各对TMDS连接线路上的信号是差动的，很重要的一点是减少两条线之间的电容和信号对地的电容，从而保证信号的上升时间和下降时间在规定的范围之内。最好是，电容要尽量小，这样给设计人员留下的余地就更大。

泰科电子的PESD的电容是0.25 pF，工作在3.4 GHz时的眼图如图2所示。

图2：泰科电子的PESD的电容是0.25 pF，图中是它工作在3.4 GHz时的眼图。

在这个眼图中我们看到，当工作HDMI 1.3标准规定的3.4 GHz时，上升时间、下降时间和信号电平之间有一定余量。当工作较低的速度时，眼图“干凈”得多，余量增大，可以放宽设计的约朿。

图3：硅半导体ESD保护器在2.25 GHz时的眼图。

如图3所示，硅半导体ESD保护器件的电容大很多。虽然在2.25 GHz或者在1.48 GHz时，它的眼图符合1080p的36位和24位颜色深度的要求，但是，即使是在这样的速度下，它们不符合HDMI 1.3标准的要求。这样在设计电路板时会受到约朿。

2. 插入损失小

插入损失很重要，它衡量信号随着频率而产生的衰减。插入损失越大，器件和系统的频带就越窄，为了满足对眼图的要求，在设计方面，受到的限制就会增多。

图4：泰科电子的PESD保护器件（电容为0.25 pF）与电容为0.7 pF的半导体ESD保护器件的插入损失。

在图4中比较了泰科电子的PESD器件和普通的0.7 pF硅半导体ESD保护器件的插入损失。即使在频率为3.4 GHz──HDMI 1.3规定的最高速度时，泰科电子的PESD器件的插入损失也微乎其微。普通的0.7 pF硅半导体保护器件在2.25 GHz（颜色深度为36位的1080p格式的速度）时，明显地看到曲线下降，对HDMI TMDS信号电平的影响超过3 dB。在3.4 GHz全速时，分辨率更高、颜色深度深度，这时，用硅半导体进行ESD保护引起的信号衰减超过了6 dB，而信号电平则下降了超过一半。

3. 频率变化时电容保持稳定

ESD保护器件的电容随频率的变化也会影响HDMI接口的性能，也会对设计带来限制。在高速系统中，针对一定电容进行的电路设计，它的性能与所用的ESD保护技术有关。在制定HDMI电路保护方案时，这往往会迫使设计人员去使用复杂的SPICE模型和模拟的方法。

如果5所示，在频率变化时，直到3GHz，泰科电子的PESD器件的电容是稳定的。它的性能和电容量为0.25 pF（典型值）的电容器很相似，可以大量地简化设计。由于HDMI TMDS线路在频率改变时的变化取决于数据的型式，视频信号源的分辨率和颜色深度，设计人员如果知道ESD保护器件在频率变化很宽的范围内是稳定的，那么在进行设计时可以更加灵活，也有更多的空间。

图5：泰科电子的PESD器件的电容与频率（频率最高为3 GHz）的关系。

要考虑到电容在频率变化范围很宽时的稳定程度，而不是在一个频率或者狭窄的频率范围内的稳定程度，这点很重要。例如，硅半导体ESD保护器件通常是测量频率为1 MHz时的电容量，没有给出其他频率的电容量。因此，需要建立复杂的模型，确保在HDMI的广阔频率范围内运作时的性能达到要求。

4. 做好电路板的设计，能在3.4 GHz运作，并有余量

HDMI设备设计人员面临的挑战和开发消费电子设备时所面临的挑战是一样的──上市时间。在设计高频系统时，对于减轻风险、降低制作成本、缩短重新制作所需的时间，参考设计起着关键性的作用。对于在HDMI设计中增加ESD保护，也不例外。

泰科电子针对HDMI 1.3、用无源元件设计的ESD和过电流保护参考设计在产业界中是第一个，现在向市场提供。这个参考设计能够帮助设计人员把时间和资源用在研制重要的、有特色的功能上，不必考虑增加ESD保护措施后是否会影响HDMI的性能。

参考设计已经经过测试，在最高频率──?3.4 GHz，它们符合HDMI 1.3标准的要求，并有富裕。有了这样的参考设计，而且它在3.4 GHz符合HDMI规范的要求，这不仅对于制造下一代计算机监视器、视频卡和视频显示屏的设计人员是很重要；3.4 GHz设计还有很大的余量，可以放宽设计中的限制，往往还能够降低速度较低的HDMI 1.3设计的电路板成本。

泰科电子的参考设计的关键性特点：
与HDMI 1.0和1.2向后兼容
? 性能经过测定，在3.4 GHz时达到HDMI 1.3标准的要求
包含供+5V电源过电流保护（对HDMI发送器适用）供选用
电路板设计文件，PESD的SPICE模型以及测试结果，包括时域反射图（TDR）、眼图和远端串音的测试结果，如需要可以提供
帮助你通过IEC 61000-4-2 ESD规范：±15kV （在空气中进行静电放电测试）, ±8 kV（接触放电）
使用泰科电子的低电容（0.25pF）PESD器件实现ESD保护
使用泰科电子的nanoSMD器件实现+5 V电源的过电流保护
与在HDMI 测试夹具方面领先的Efficere公司（www.efficere.com）共同设计和确认

本文小结

在设计HDMI系统时，加入ESD保护不一定是一件复杂而且令人为难的工作──如果有合适的办法的话。虽然这一代的设备也许不需要达到HDMI 1.3规定的3.4 GHz的性能，使用可以工作在3.5 GHz的ESD保护技术，能够减少设计中的烦恼，提高系统的余量，而且由于在以后不需要重新设计ESD保护，因而便于实现下一代设计。泰科电子的ESD和过电流保护参考设计在3.4 GHz时符合HDMI 1.3规范，实现了IEC 61000-4-2标准要求的ESD保护，优化了电路板的空间，能够帮助设计人员减少设计风险。