HDMI(高清多媒體接口)是一種全數(shù)字化視頻和聲音發(fā)送接口，可以發(fā)送未壓縮的音頻及視頻信號(hào)，廣泛應(yīng)用于消費(fèi)類產(chǎn)品上，如機(jī)頂盒、DVD播放器、個(gè)人計(jì)算機(jī)、電視等設(shè)備。HDMI 2.1標(biāo)準(zhǔn)由HDMI協(xié)會(huì)在2017年正式發(fā)布，其關(guān)鍵改進(jìn)在于將視頻信號(hào)傳輸速率從HDMI 2.0的18Gbps大幅躍升至48Gbps，同時(shí)支持的分辨率上限由4K升級(jí)至8K。

隨著科技水平的提高，HDMI電路制造商不斷致力于微縮其元器件內(nèi)的晶體管、連接線路及絕緣層的極限尺寸，以此實(shí)現(xiàn)高速電子元件的小型化設(shè)計(jì)。雖促進(jìn)了設(shè)備結(jié)構(gòu)的緊湊化，卻也引發(fā)了器件因擊穿效應(yīng)導(dǎo)致的損壞風(fēng)險(xiǎn)顯著增加這一新問題。HDMI接口作為一種熱插拔端口，其設(shè)計(jì)易受到靜電放電的損害，造成內(nèi)部芯片的損壞，尤其是在與用戶終端或帶電電纜的連接過程中。湖南靜芯推出HDMI 2.1的ESD&EOS防護(hù)完整解決方案，在不影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)那疤嵯聺M足HDMI兼容性測(cè)試規(guī)范(CTS)的信號(hào)完整性和阻抗要求，讓后端的電路得到有效防護(hù)。

HDMI接口介紹

HDMI 2.1擁有四組高速差分信號(hào)線，支持高達(dá)48Gbps的高速數(shù)據(jù)傳輸。HDMI 2.0采用傳統(tǒng)的三對(duì)數(shù)據(jù)差分對(duì)（TMDS Data0, Data1, Data2）搭配一個(gè)時(shí)鐘對(duì)（TMDS Clock Pair）的結(jié)構(gòu)，而HDMI 2.1則創(chuàng)新性地采用了類似DisplayPort的FRL（固定速率鏈路）技術(shù)，將4組高速差分信號(hào)都定義成Data lane（ Lane0， Lane1， Lane2， Lane3），并直接從信號(hào)中提取時(shí)鐘，這一轉(zhuǎn)變顯著提升了數(shù)據(jù)傳輸效率。

CEC引腳是與其他HDMI信號(hào)分開的電信號(hào)，擁有一套完整的單總線協(xié)議，電子設(shè)備可以使用CEC信號(hào)實(shí)現(xiàn)由單一遙控器控制所有HDMI連接的裝置。該通道允許HDMI設(shè)備在沒有用戶干擾情況下互相命令控制，最多可以控制15個(gè)設(shè)備。

ARC功能是指HDMI線可直接將數(shù)字音頻輸出到功放上解碼，并在音響設(shè)備上輸出的功能。HDMI 2.1加了eARC功能，eARC就是增強(qiáng)型的ARC。從原本只用14引腳進(jìn)行傳輸變成使用14和19兩個(gè)引腳組成差分傳輸對(duì)，傳輸速度也從原本的1Mbit/s提高至37Mbit/s，提供更佳的聲音品質(zhì)。因此，14引腳（ARC引腳）和19引腳（HPD）引腳需要連接同一性能的靜電保護(hù)器件。

SCL引腳和SDA引腳分別作為HDMI接口的DDC時(shí)鐘和數(shù)據(jù)通道。通過這兩個(gè)引腳可讓傳送端與接收端得知彼此的傳送與接收能力，最后可放送出符合電視分辨率的影像畫面。

HPD引腳擁有熱插拔檢測(cè)功能，其作用是當(dāng)顯示器等HDMI接口的顯示設(shè)備通過HDMI/DVI接口與HDMI源端相連或斷開連接時(shí)，HDMI源端能夠通過該引腳檢測(cè)出這一事件，并做出響應(yīng)。

圖1 HDMI接口引腳配置

表1 HDMI接口引腳功能描述

HDMI 2.1接口防護(hù)選型要求

HDMI 2.1接口的靜電防護(hù)需要在IEC61000-4-2的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)下成功通過±8kV的ESD沖擊。因此在HDMI 2.1接口上采用ESD保護(hù)元件，以有效避免ESD事件對(duì)數(shù)據(jù)傳輸造成干擾十分必要。當(dāng)HDMI 2.1接口在選擇合適的ESD防護(hù)器件時(shí)，可以考慮以下要求：

1. 高速差分信號(hào)通道的速率可達(dá)48Gbps（每對(duì)12Gbps），每條差分線路上的最大單端工作電壓為3.3V，因此放置在這些高速布線上的 ESD保護(hù)二極管要求電容足夠低，以保持信號(hào)完整性并滿足HDMI合規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。
2. 由于TMDS I/O引腳的敏感性質(zhì)，盡量減小鉗位電壓以實(shí)現(xiàn)ESD保護(hù)。
3. ESD RDYN與電容呈反比關(guān)系，增加二極管結(jié)面積會(huì)降低 RDYN，但會(huì)增加二極管電容，這可能會(huì)降低信號(hào)完整性。二極管電容過大可能會(huì)降低信號(hào)完整性，所以需要盡量保證保護(hù)元件的低電容

HDMI 2.1接口整體應(yīng)用方案

方案一：

圖2整體應(yīng)用方案一

方案二：

圖3整體應(yīng)用方案二

1.高速差分線D0+/D0-,D1+/D1-,D2+/D2-, D3+/D3-

由于高速差分信號(hào)通道在傳輸大量?jī)?nèi)容時(shí)仍保持極高速度，因此選擇合適的ESD防護(hù)器件至關(guān)重要。我們推薦使用湖南靜芯的深回掃型ESD器件SEUCS10F3V4B。SEUCS10F3V4B是一款保護(hù)高速數(shù)據(jù)接口的超低電容深回掃型ESD保護(hù)器件，集成了四對(duì)超低電容控向二極管和一個(gè)TVS二極管，專門設(shè)計(jì)用于保護(hù)連接到數(shù)據(jù)傳輸線的敏感電子元件免受ESD(靜電放電)引起的過壓，可適用于HDMI 2.1的高速差分信號(hào)線防護(hù)。

SEUCS10F3V4B器件的工作電壓為3.3V，結(jié)電容僅為0.12pF，鉗位電壓為5.5V，其封裝形式為DFN2510-10L，可同時(shí)對(duì)兩對(duì)高速數(shù)據(jù)線進(jìn)行靜電防護(hù)，且符合IEC 61000-4-2 (ESD)規(guī)范，在±15kV（空氣）和±15kV（接觸）下提供瞬變保護(hù)。

圖4 SEUCS10F3V4B器件眼圖測(cè)試結(jié)果

2.CEC控制信號(hào)通道

在CEC引腳處推薦使用湖南靜芯的常規(guī)電容ESD器件SENC2F5V1BA作為該通道的靜電保護(hù)器件。該器件工作電壓為 5 V，鉗位電壓為10V，結(jié)電容為15pF，可對(duì)單條線路進(jìn)行靜電防護(hù)。符合IEC 61000-4-2 (ESD)規(guī)范，在 ±30kV（空氣）和 ±30kV（接觸）下提供瞬變保護(hù)。

3.ARC,SCL,SDA,HPD,電源通道

在方案一中，我們推薦采用湖南靜芯研發(fā)的集成多路ESD靜電二極管SEUC236T5V4U，可同時(shí)保護(hù)HDMI2.1的ARC,SCL,SDA,HPD和電源這五個(gè)引腳免受靜電放電(ESD)和低等級(jí)浪涌事件的沖擊與干擾。SEUC236T5V4U共有4個(gè)IO引腳，一個(gè)超強(qiáng)VCC保護(hù)引腳，可同時(shí)保護(hù)四條數(shù)據(jù)信號(hào)線和一條電源信號(hào)線免受ESD(靜電放電)引起的干擾而損壞，可適用于DP2.0/2.1等接口的信號(hào)線防護(hù)。它的工作電壓為 5 V，結(jié)電容僅有0.6pF，符合IEC 61000-4-2 (ESD)規(guī)范，在 ±17kV（空氣）和 ±12kV（接觸）下提供瞬變保護(hù)。

在方案二中，我們推薦使用上文提及的深回掃型ESD靜電二極管SEUCS10F3V4B對(duì)HDMI2.1的ARC,SCL,SDA和HPD引腳進(jìn)行保護(hù)。電源引腳的靜電保護(hù)我們推薦湖南靜芯研發(fā)的高電容1路單向ESD保護(hù)器件SEHC16F5V1UB，該器件工作電壓為 5 V，鉗位電壓為14V，結(jié)電容為850pF，可很好地保護(hù)電源引腳免受靜電的干擾。

電氣特性表

At TA = 25℃ unless otherwise noted

表2 SEUCS10F3V4B電氣特性表

表3 SENC2F5V1BA電氣特性表

表4 SEUC236T5V4U電氣特性表

表5 SEHC16F5V1UB電氣特性表

總結(jié)與結(jié)論

HDMI接口自問世以來，一直是用于傳輸視頻和音頻數(shù)據(jù)的常用接口之一。隨著 HDMI標(biāo)準(zhǔn)的每次更新，制造商都可以借助工藝技術(shù)的改進(jìn)增加數(shù)據(jù)帶寬，并在越來越小的芯片組中添加更多特性。隨著尺寸減小，HDMI元件對(duì)靜電放電等瞬態(tài)電壓變得越來越敏感，保護(hù)HDMI接口免受ESD靜電損害極為關(guān)鍵。本方案采用的高速通道保護(hù)器件為湖南靜芯研發(fā)的深回掃型器件，回掃特性ESD防護(hù)器件具有超小封裝體積、超低鉗位電壓、超低結(jié)電容特性，相比常規(guī)工藝 TVS防護(hù)效果更優(yōu)，且不影響信號(hào)完整性，可更有效保護(hù)高速數(shù)據(jù)接口免受瞬態(tài)過電壓的影響，為相關(guān)電子產(chǎn)品設(shè)備加固防護(hù)，提升消費(fèi)者使用體驗(yàn)。

湖南靜芯深回掃型系列ESD器件工作電壓涵蓋1.0~38V，電流涵蓋4~30A，電容最低至0.1pF，封裝涵蓋CSP、FC及各類封裝形式。同時(shí)推出22V&33V TDS平緩浪涌抑制器，可用于保護(hù)工作電壓為20V、24V、28V、36V的系統(tǒng)，具有精準(zhǔn)且恒定的觸發(fā)電壓、優(yōu)異的鉗位性能及穩(wěn)定的溫度特性，可為系統(tǒng)提供更全面保護(hù)。結(jié)合TDS器件與深回掃ESD優(yōu)勢(shì)，湖南靜芯是國(guó)內(nèi)首家推出USB4.0完整解決方案的公司，詳情可以參考：“湖南靜芯推出USB4.0&PD3.0的ESD&EOS防護(hù)完整解決方案100W+80G/120G”與“湖南靜芯推出USB4.0&PD3.1的ESD&EOS防護(hù)完整解決方案140W&180W+80G/120G”等文章。