在持續的冠狀病毒大流行期間，我們大部分時間都被限制在家裡，我們花在螢幕前的時間增加了。這包括參加在線會議、進行視訊通話、網路遊戲、看電視以及在我們的電腦上工作更長時間。如今，能有高質量的視聽 (AV) 體驗，得益於高清顯示器和高清多媒體接口 (HDMI)，我們能夠體驗具有更高解析度和更快的更新頻率及更大的長寬比。
HDMI系統架構和引腳配置
HDMI系統架構由在輸出端與接收端加上電纜組成，如圖1所示。高解析度未壓縮視頻、音頻和控制信號通過一條HDMI電纜傳輸。讓我們了解一下這系統架構是如何從傳輸端將數據送到接收端。
圖 1. HDMI 系統架構
最小化傳輸差分訊號 (TMDS) 將視頻和音頻信號從發送器傳輸到接收器。HDMI2.0以下版本使用四個差分對。其中三個是TMDS data通道，一個是TMDS clock通道。HDMI2.0版本則有三個TMDS data通道，每個TMDS數據通道由data+、data-和data shield組成。TMDS clock通道由clock+、clock- 和clock shield 組成。TMDS通道參考clock通道作為同步源。
Display Data Channel (DDC) 是用於HDMI設備和發送源之間的雙向通信協定，允許發送源讀取外圍設備的識別數據。它提供型號、序號、長寬比等信息。DDC使用(I 2 C)做為基礎。它由serial clock(SCL)、serial data(SDA)線和接地線組成。Consumer Electronics Control (CEC)為單線雙向串列匯流排，用於控制源或連接其他具有CEC功能的設備。CEC並與DDC和HEC共享的接地線。+5V電源線則是用於在sink端，替未開啟電源時的DDC供電。例如筆記型電腦通過HDMI連接至投影機。即使投影機沒有打開，+5V電源線也會為投影機的DDC線供電。這將使筆記型電腦能夠從投影機讀取信息。
Hot Plug Detection (HPD)和HDMI Ethernet Channel (HEC) Data共享同一條線路。HPD檢測信號源是否有任何啟用的HDMI設備在運行時連接或移除。HEC用於設備之間的乙太網路的双向傳遞。
圖 2. HDMI Type A連接器的引腳配置
圖2顯示了Type A型HDMI連接器的引腳配置。它包含19個引腳，包括4個TMDS對和6個其他通道（+5V電源、HPD、CEC、SDA、SCL、HEC）以實現數位的數據傳輸。自2002年推出以來，HDMI已經發展出許多規格，然而，HDMI 2.0仍然是最受歡迎並最廣泛使用的接口。
HDMI 2.0接口的ESD保護
HDMI 2.0主要的設計是透過增加先前版本的頻率來強化觀眾的視訊體驗。TMDS通道的最大帶寬為6Gbps。3個TMDS通道能夠以每秒60幀的速度進行播放，共計18Gbps的差分數據傳輸，解析度可達4K。最多可以提供2個畫面和4個數位音訊流。由於消費者期望不間斷的視頻以及頻繁插拔HDMI連接器，因此HDMI接口的EMC穩定性至關重要。這些插拔事件可能導致高達數千伏的ESD事件損壞電路。TVS二極體能在一奈秒內阻止ESD，並保護數據端口免受ESD威脅，將此大電流從數據端口轉移至地。
現在讓我們探討如何保護HDMI端口免受到任何ESD事件的影響。圖2所示的HDMI Type A端口中的19個引腳/通道可分為高速通道和非高速通道。高速通道包括TMDS通道（Pin 1-2-3；4-5-6；7-8-9）。和TMDS Clock通道（引腳10-11-12）。這些通道承載總計18Gbps的差分數據信號。
每條差分線上的最大工作電壓為3.3V。由於這些是極高速的差分數據線，TVS 二極體需要在瞬態事件期間保持極低的線間電容來保護電路，同時還要確保信號完整性。由於TVS二極體和電路並聯，在ESD事件期間，電路兩端的壓降與TVS二極體的箝位電壓相同，保持盡可能小的箝位電壓至關重要。因此，保護元件應包括低的ESD箝位電壓和低動態電阻等特性。此外，可以通過選擇具有flow-through封裝的TVS元件來優化高速信號的完整性，這對於避免信號失真極為重要。
Semtech的RClamp03354P專為保護HDMI 2.0接口的高速差分線路而設計。它以0.28pF（Typ.）寄生電容保護4條高速數據線。它的工作電壓為3.3V，最低崩潰電壓為5.5V。RClamp03354P根據IEC 61000-4-2 (ESD)規範在 ±15kV（空氣）、±12kV（接觸）下提供瞬態保護。它的動態電阻為 0.13Ω（Typ.）。RClamp03354P 採用10引腳DFN封裝，標稱尺寸為2.5 x 1.0 x 0.55 mm。由於一個RClamp03354P可以保護兩對差分訊號，因此可以使用兩個RClamp03354P來保護3個TMDS通道及1個TMDS clock通道，如圖3所示。該元件的流通式封裝設計可簡化PCB佈局並有助於保持信號線的筆直不被彎曲。
現在讓我們看看如何保護其餘的六個非高速通道。這些通道包括CEC（Pin 13）、HEC（Pin 14、19）、SCL（Pin 15）、SDA（Pin 16）、+5V 電源（Pin 18）和 HPD（Pin 19）。因為這些通道不傳輸高速數據，因此在瞬態事件期間，低電容對於它們的保護並不是那麼重要。為了保護這些通道，需要一個六通道TVS二極體陣列，其工作電壓為5V，響應時間快，箝位電壓低，並且在瞬態事件期間不會衰退。
Semtech的RCalmp7538P非常適合保護這六個通道。其工作電壓為5V，電流為最大峰值5A。RClamp7538P 根據 IEC 61000-4-2 (ESD) 規範在 ±25kV（空氣）、±20kV（接觸）下提供瞬態保護。它的動態電阻為0.42Ω。它採用尺寸為3.8 x 1.0 x 0.5 mm的9pin DFN封裝。封裝方式採用最先進的直進直出方案，能簡化了PCB佈局。請參閱下面圖 3 中的連接圖。
圖3. HDMI 2.0的ESD保護選項
總結與結論
由於ESD事件，為了充分保護HDMI端口免受所有ESD威脅。不會有用戶想要電腦顯示器或家庭娛樂系統被損壞。Semtech生產有效且值得信賴的TVS產品能為世界上許多最受歡迎的顯示設備提供了保護。這些解決方案是保護HDMI 2.0接口的理想選擇-讓消費者在連接高清保真視訊設備時享受流暢、不間斷的體驗。
參考來源