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[经验] 在HDMI 1.3系统中设计ESD保护的要求

2019-6-19 05:00:08  124 ESD HDMI
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用于HDMI接口的ESD保护技术
最新的HDMI I.3(高清晰度多媒体接口1.3)标准把以前的HDMI 1.0 -  1.2标准所规定的数据传送速度提高了一倍,每对差动信号线的速度达到3.4  Gbps。由于数据传送速度这么高,要求电路板的电容小,确保信号的素质很好,这给电路板的设计带来了新的挑战。在解决这个问题,实现可靠的静电放电(ESD)保护时,这点尤其重要。在HDMI系统设计中增加ESD保护时,如果选用合适的办法,就可以把问题简化。泰科电子的ESD和过电流保护参考设计,符合3.4  GHz的HDMI 1.3规范,达到IEC 61000-4-2关于ESD保护的要求,并且可以优化电路板的空间,所有这些可以帮助设计人员减少风险。本文探讨在HDMI  1.3系统中设计ESD保护的要求和容易犯的错误。
概述
在高清晰度视频系统中增加ESD保护,提出了许多复杂而且令人为难的问题,这会增加成本,会延长产品上市的时间。人们在选择ESD保护方案时,往往是根据解决这个问题的办法实现起来是否容易。不过,最简单的办法也许不可能提供充分的ESD保护,或者在电路板上占用的空间不能让人最满意。有些时候,在开始时看上去是解决ESD保护问题的最好办法,到了后来,会发现需要使用多种电路板材来保证时基信号达到要求。在实现一个充分的静电放电保护时,往往需要在尺寸、静电放电保护的性能以及实现起来是否容易这几方面进行折衷。一直到现在仍然是这样。
本文的目的是讨论针对HDMI  1.3系统实现一个可靠的ESD保护时,问题之所以复杂的原因──运行速度,并且讨论设计标准,在提供充分的静电放电保护时,必须考虑到这些设计标准。
HDMI的速度究竟是多少?
关于HDMI的速度,有很多说法,因而设计人员在解决静电放电问题时很难选择一个合适的办法。人们往往认为,按照最新的HDMI标准,也就是HDMI  1.3,在每秒传送340M个像素时,数据传送速率高达10.2  Gbps。这是系统运行速度的精确的说法,但是它并不是讲过渡时间最小的差动信号(TMDS)的传送速度。为了选出一个充分的ESD保护办法,也一定要考虑到TMDS速度。
在前面讲过,根据HDMI 1.3规范,在每秒传送340  M个像素时,系统最快会工作在10.2Gbps。关键是“最快会工作在”六个字。这就是说,接口的时钟速度会改变,这决定于连接在它上面的发送器和接收器工作在视频的能力。因此,连接到接口上的两个设备的分辨率越高,或者色彩深度越深,时钟就越快。HDMI只需要快到能够传送所需数量的像素给显示设备(监视器、液晶显示电视机等等)就可以了。例如,如果高清晰度数字视盘(DVD)播放器和液晶显示(LCD)监视器在播放1080P格式的高清晰度视频节目、颜色深度为48位时,比起播放480i的标准清晰度DVD节目,需要处理的信息就更多。
表1是各种分辨率和相应的每行像素数量及每帧行数。对于表1中列出的每种颜色深度,都有一个编码位数和它对应,来传送每个像素的颜色。需要从HDMI发送器传送到HDMI接收器的数据数量与这些变量有关,包括每秒刷新显示屏的帧数。表2是它们的这个关系式:
HDMI 数据传送速度 = X * Y * F * B
其中: X = 每行的像素数量;Y = 每帧的行数;F = 每秒的帧数;B = 每个像素的编码位数。

表1:不同版本的HDMI支持的分辨率和颜色深度。

表2:HDMI发送器把数据传送给HDMI接收器的速度。
实际的HDMI数据接口由4对过渡过程最小的差动信号线组成:3路差动数据通道,一路是时钟,每路是一对差动连接线,如图1所示。

图1:实际的HDMI数据接口。
如图1所示,三对TMDS数据线的频带要宽到能够传送和接收的数据速度最高为10.2 Gbps。因此,这三对TMDS数据线一定要能够以10.2 Gbps/ 3  × 3.4 Gbps(或者GHz)的速度传送信号。
为了说明每对实际的TMDS线的数据传送速度,在表3中把表2中的信息和每一对TMDS数据线的速度以及对应的信号时钟速度放在一起。
设计人员一般也会注意到,在HDMI 1.3标准中,TMDS时钟的速度是340  MHz,比传送数据或者传送信号的速度低很多。对于标准的频色深度,即每个像素为24位时,在每对TMDS数据线上传送的数据等于每个像素的编码位数30  位。因此,在三路TMDS通道中,在‘系统’时钟的一个周期内,每一路必须传送10位。所以,信号的时钟和数据速度等于‘系统’的TDMS时钟速度的十倍。此外,在颜色深度较深时,信号的时钟速度较高,以便传送每个像素的更多编码位数。连接线的数据传送速度、TDMS信号的速度,以及‘系统’的TDMS  时钟速度之间的关系列于表4。

表3:TDMS传送信号的速度与时钟的速度。

表4: TMDS传送信号的速度和‘系统’的TMDS时钟速度。
在这里作一个小结:HDMI运行的速度取决于发送器和接收器的能力,以及信号源的分辨率和颜色深度。每对TDMS数据线的速度最高是3.4 GHz。
在HDMI系统中增加ESD保护时在时基信号/性能方面的考虑
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