1 HDMI接口介紹

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)用如消費(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、游戲主機(jī)、綜合擴(kuò)大機(jī)、數(shù)字音響與電視機(jī)等設(shè)備。

HDMI采用TMDS（最小化傳輸差分信號(hào)）技術(shù)傳輸音視頻數(shù)據(jù)。HDMI的1-9引腳為包含3組差分?jǐn)?shù)據(jù)通道（Data0-Data2），每組由正信號(hào)、負(fù)信號(hào)和屏蔽地組成；10-12引腳為時(shí)鐘通道，為數(shù)據(jù)傳輸提供同步時(shí)鐘信號(hào)，確保接收端正確解碼數(shù)據(jù)。HDMI 2,1標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)始引入FRL（Fixed Rate Link）模式，TMDS Clock引腳被重新定義，在 TMDS模式 下，可兼容舊設(shè)備，時(shí)鐘引腳功能不變；在 FRL模式 下，時(shí)鐘引腳改為 FRL Lane 3，可傳輸數(shù)據(jù)，不再單獨(dú)傳輸時(shí)鐘。

13引腳為CEC引腳。CEC 是與其他 HDMI 信號(hào)分開(kāi)的電信號(hào)，擁有一套完整的單總線協(xié)議，電子設(shè)備可以借著 CEC 信號(hào)讓使用可控制 HDMI 接口上所連接的裝置，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(méi)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。

14引腳為可選功能引腳。在HDMI 1.0至1.3版本中，14號(hào)引腳被定義為保留引腳，通常未分配具體功能。HDMI 1.4版本引入了HEC（以太網(wǎng)通道）和ARC（音頻回傳通道）功能，HEC功能支持100Mbps以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸，使HDMI線纜能夠同時(shí)傳輸音視頻信號(hào)和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)；在支持ARC的設(shè)備中，14號(hào)引腳可用于傳輸音頻回傳信號(hào)，允許電視通過(guò)HDMI線將音頻信號(hào)回傳至功放或音響設(shè)備，簡(jiǎn)化家庭影院系統(tǒng)的布線。HDMI 2.1版本進(jìn)一步升級(jí)了音頻回傳功能，推出eARC（增強(qiáng)型音頻回傳通道），14號(hào)引腳的作用再次擴(kuò)展

15、16引腳分別為SCL 引腳和 SDA 引腳。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(guò)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(huà)面。

17引腳為DDC、CEC和HEAC（HDMI以太網(wǎng)通道）提供接地參考。

18引腳提供5V電源（最大電流50mA），用于為顯示器EDID芯片或低功耗電路供電。

19引腳為HPD 引腳。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(guò)HDMI/DVI 接口與 HDMI 源端相連或斷開(kāi)連接時(shí)， HDMI源端能夠通過(guò) HDMI/DVI 的 HPD引腳檢測(cè)出這一事件，并做出響應(yīng)。HDMI 2.1版本中引入了eARC功能。eARC通過(guò)重新利用HPD引腳與Utility引腳（14引腳），將它們組合成一對(duì)差分信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)100MHz的帶寬傳輸。

2 HDMI接口保護(hù)器件選擇

2.1 如何選擇器件截止電壓

器件截止電壓應(yīng)大于被保護(hù)電路的最大工作電壓，否則會(huì)影響被保護(hù)電路的正常工作。

以HDMI 1.4標(biāo)準(zhǔn)為例，根據(jù)規(guī)范，TMDS數(shù)據(jù)傳輸引腳的工作電壓為3.3V（±5%），TMDS數(shù)據(jù)傳輸差分線上的保護(hù)器件應(yīng)選擇等于或者大于 3.3V 的 ESD 保護(hù)器件。

以HDMI 2.1標(biāo)準(zhǔn)為例，根據(jù)規(guī)范，CEC, SCL, SDA, PWR, HPD引腳的工作電壓為5V，相關(guān)引腳保護(hù)器件應(yīng)選擇等于或者大于5V 的 ESD 保護(hù)器件。

2.2 如何確定器件電容

在一些高速數(shù)據(jù)接口線路上，ESD 保護(hù)器件的結(jié)電容應(yīng)選擇盡量的小，以避免影響信號(hào)完整性。保護(hù)器件的寄生電容有可能與傳輸線阻抗形成RC電路，對(duì)高頻信號(hào)產(chǎn)生衰減；若保護(hù)器件電容過(guò)大，也有可能會(huì)改變線路等效阻抗，引發(fā)信號(hào)反射。因此為高速信號(hào)線選擇合適的 ESD 防護(hù)器件至關(guān)重要。

8b/10b編碼是HDMI早期版本的核心編碼技術(shù)。其原理是將每8位原始數(shù)據(jù)編碼為10位傳輸，通過(guò)增加2位冗余實(shí)現(xiàn)DC平衡（信號(hào)電平穩(wěn)定）和最小化電位轉(zhuǎn)換次數(shù)，從而降低電磁干擾（EMI）并提升信號(hào)完整性。該編碼方式有效數(shù)據(jù)效率為80%（10位中8位為有效數(shù)據(jù)），廣泛應(yīng)用于HDMI 1.2至2.0版本。

HDMI的速率由時(shí)鐘頻率和編碼效率共同決定，核心公式為：

速率=時(shí)鐘頻率×每周期位數(shù)×通道數(shù)

HDMI 1.4的時(shí)鐘速率為340MHz，則其傳輸速率=340MHz×10×3=10.2 Gbps。

HDMI 2.0版本每通道速率上升至6 Gbps，則總帶寬可達(dá)18Gbps。

HDMI 2.1標(biāo)準(zhǔn)引入 16b/18b編碼（FRL技術(shù)），徹底革新傳輸機(jī)制。FRL（Fixed Rate Link）通過(guò)4個(gè)通道傳輸數(shù)據(jù)，每個(gè)通道采用16b/18b編碼，有效數(shù)據(jù)效率提升至88.8%（18位中16位為有效數(shù)據(jù)）。該技術(shù)使總帶寬達(dá)48Gbps（單通道12Gbps），支持8K@60Hz、4K@120Hz及動(dòng)態(tài)HDR。

FRL模式通過(guò)時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)（CDR）技術(shù)從數(shù)據(jù)流中提取時(shí)鐘信號(hào)，無(wú)需獨(dú)立時(shí)鐘通道，在 4 條數(shù)據(jù)通道中傳輸高速數(shù)據(jù)，HDMI 2.1的每條通道帶寬可為 6、8、10 或 12 Gbps?？値捰?jì)算公式為：

總帶寬=激活車道數(shù)×單車道速度

HDMI 2.1擁有兩種模式：

l 典型配置：使用全部 4 條車道且單條車道速率為 12 Gbps 時(shí)，理論最大帶寬為 4×12=48Gbps；

l 增強(qiáng)模式：若單條車道速率達(dá)到 24 Gbps，理論最大帶寬可提升至 4×24=96Gbps。

HDMI信號(hào)傳輸線上傳輸?shù)亩紴榍д滓陨系母咚傩盘?hào)，推薦ESD器件電容暫時(shí)不能準(zhǔn)確得出，我們根據(jù)項(xiàng)目中的整改經(jīng)驗(yàn)和眼圖測(cè)試結(jié)果總結(jié)下表。

其他線路由于不需要傳輸高速信號(hào)，對(duì)電容的要求不高，建議選擇電容值<10 pF的器件。

2.3 如何判斷深回掃器件在電路中是否發(fā)生閂鎖效應(yīng)

2.3.1 什么是ESD器件的閂鎖效應(yīng)

回掃型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ESD器件防護(hù)效果更優(yōu)，且不影響信號(hào)完整性，可更有效保護(hù)USB端口免受瞬態(tài)過(guò)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)。

常規(guī)型ESD的電壓會(huì)隨著IPP（峰值脈沖電流）的增加而等比例增加，呈現(xiàn)出一個(gè)較為線性的增長(zhǎng)趨勢(shì)。深回掃型ESD器件在當(dāng)電壓達(dá)到VT（觸發(fā)電壓）后會(huì)瞬間將兩端電壓拉低，進(jìn)入一個(gè)小于工作電壓VRWM的較低電壓VHOLD,之后隨著電流的增加電壓逐漸增大，如圖10所示;淺回掃型ESD器件在當(dāng)電壓達(dá)到VT（觸發(fā)電壓）后會(huì)瞬間將兩端電壓拉低，進(jìn)入一個(gè)稍大于工作電壓VRWM的電壓VHOLD,之后隨著電流的增加電壓逐漸增大，如圖11所示。

深回掃器件在使用過(guò)程中，很容易面臨一個(gè)問(wèn)題——閂鎖效應(yīng)。閂鎖效應(yīng)是回掃型ESD器件（如SCR、GGNMOS等）在靜電放電（ESD）保護(hù)過(guò)程中可能發(fā)生的一種非預(yù)期自維持導(dǎo)通現(xiàn)象。當(dāng)ESD上的電壓超過(guò)觸發(fā)電壓（VT）后，SCR進(jìn)入回掃（Snapback）狀態(tài)，電壓降至維持電壓（VHOLD）。如果電源電壓（Vdd）高于維持電壓（VHOLD），且電流超過(guò)維持電流（IHOLD），SCR會(huì)持續(xù)導(dǎo)通，無(wú)法自動(dòng)關(guān)斷，形成閂鎖，使元件持續(xù)維持在導(dǎo)通狀態(tài)無(wú)法被截止。

淺回掃器件由于可以保證VHOLD>VRWM，不存在閂鎖的風(fēng)險(xiǎn)。

若元件發(fā)生閂鎖效應(yīng)，信號(hào)無(wú)法正常傳輸，可能會(huì)導(dǎo)致電流持續(xù)增大，引發(fā)金屬線熔斷或器件損壞。閂鎖還可能引發(fā)芯片邏輯異常，電源短路，需斷電重啟才能恢復(fù)。反復(fù)閂鎖產(chǎn)生的局部高溫可能加速材料老化（如金屬遷移、電遷移），縮短芯片壽命。

2.3.2 如何解決ESD器件的閂鎖效應(yīng)

如果要將閂鎖效應(yīng)解除，必須使系統(tǒng)斷電，或者滿足

Vbias < VHOLD OR Ibias < IHOLD

在芯片ESD防護(hù)設(shè)計(jì)中，需仔細(xì)評(píng)估維持電壓（VHOLD）、維持電流（IHOLD）與電源電壓（Vdd）的關(guān)系，確保閂鎖不會(huì)在正常工作條件下被觸發(fā)。

① 以HDMI 1.4為例

差分線上的工作電壓為3.3V（±5%），則Vdd-max=3.5V

終端電阻為50Ω（±10%），則RS-min=45ohm

保證不發(fā)生閂鎖效應(yīng)的條件為

VHOLD > 3.5V OR IHOLD >= (Vdd ? VHOLD)/ RS

若VHOLD = 2.5V，則IHOLD >=(3.5V-2.5V)/45 Ohm=22mA

② 以HDMI 2.1為例

差分線上的工作電壓為3.3V（±5%），則Vdd-max=3.5V

終端電阻為90-110Ω，則RS-min=90ohm

保證不發(fā)生閂鎖效應(yīng)的條件為

?VHOLD > 3.5V OR IHOLD >= (Vdd ? VHOLD)/ RS

若VHOLD = 2.5V，則IHOLD >=(3.5V-2.5V)/90 Ohm=11mA

3 結(jié)論

綜合以上考量，我們?yōu)镠DMI接口推薦了一些低電容低鉗位電壓且沒(méi)有閂鎖風(fēng)險(xiǎn)的ESD防護(hù)器件，可確保信號(hào)的完整性。

審核編輯 黃宇