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CAN总线CAN总线上限由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
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| 引脚 | 定义 | 引脚 | 定义 |
| 1 | 数据3+ (Data Lane3+) | 11 | 数据0屏蔽(Data Lane0 shield) |
| 2 | 数据3屏蔽(Data Lane3 shield) | 12 | 数据0- (Data Lane0-) |
| 3 | 数据3- (Data Lane3-) | 13 | CEC |
| 4 | 数据2+ (Data Lane2+) | 14 | 保留 |
| 5 | 数据2屏蔽(Data Lane2 shield) | 15 | DDC时钟线(SCL) |
| 6 | 数据2- (Data Lane2-) | 16 | DDC数据线(SDA) |
| 7 | 数据1+ (Data Lane1+) | 17 | DDC/CEC地(DDC/CEC GND) |
| 8 | 数据1屏蔽 (Data Lane1 shield) | 18 | +5V电源(Power) |
| 9 | 数据1- (Data Lane1-) | 19 | 热插拔检测 (Hot Plus Detect) |
| 10 | 数据0+ (Data Lane0+) |
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。
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：
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
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
器件封装尺寸小，PCB设计空间充足
PCB设计层面，对布线进行优化，实现高效封装布局
应用示例
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我们为HDMI 2.1接口提供了两种ESD静电防护器件，专为保护该接口的高速差分线路而设计，型号分别为SEUC2F5V1B和SEUC236T5V4U。分立器件减少了生产成本，集成式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。
其中SEUC2F5V1B结电容仅有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 ±10kV（接触）下提供瞬变保护。
DDC时钟和数据通道的防护采用了集成多路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。ELECSUPER SEMI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
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