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 | 定义 | 引脚 | 定义 |
1 | 数据2+ (TMDS Data2+) | 11 | 时钟屏蔽(TMDs Clock shield) |
2 | 数据2屏蔽(TMDS Data2 shield) | 12 | 时钟-(TMDS Clock-) |
3 | 数据2-(TMDS Data2-) | 13 | CEC |
4 | 数据1+ (TMDS Data1+) | 14 | 保留 |
5 | 数据1屏蔽(TMDS Data1 shield) | 15 | DDC时钟线(SCL) |
6 | 数据1-(TMDS Data1-) | 16 | DDC数据线(SDA) |
7 | 数据0+ (TMDS Data0+) | 17 | DDC/CEC地(DDC/CEC GND) |
8 | 数据0屏蔽 (TMDS Data0 shield) | 18 | +5V电源(Power) |
9 | 数据0-(TMDS Data0-) | 19 | 热插拔检测 (Hot Plus Detect) |
10 | 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。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：
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
我们为HDMI 2.0接口提供了两种不同封装的防护器件，专为保护该接口的高速差分线路而设计，型号分别为SEUC10F5V4UB和SEUC236T5V4U。其结电容仅有0.4pF，可保护四条高速数据线。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 ±8kV（接触）下提供瞬变保护。
由于一个SEUC10F5V4UB可以保护两个差分数据对，因此可以使用两个SEUC10F5V4UB 来保护三个 TMDS 通道和一个 TMDS 时钟通道，而SEUC236T5V4U可用于防护DDC时钟和数据通道。该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。
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 | 9 | 0.4 | DFN2510-10L |
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 | 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。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。
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