TPD5S115：HDMI接口的理想伴侶芯片

在當(dāng)今的電子設(shè)備中，HDMI接口已成為高清音視頻傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)配置。為了確保HDMI接口的穩(wěn)定運(yùn)行，需要一款功能強(qiáng)大的伴侶芯片來提供電源管理、電平轉(zhuǎn)換和ESD保護(hù)等功能。德州儀器（TI）的TPD5S115就是這樣一款優(yōu)秀的芯片，本文將為大家詳細(xì)介紹TPD5S115的特點(diǎn)、應(yīng)用和設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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一、TPD5S115概述

TPD5S115是一款集成式HDMI伴侶芯片，能夠滿足HDMI 2.0、1.4和1.3標(biāo)準(zhǔn)的需求。它內(nèi)置了升壓DC - DC轉(zhuǎn)換器、電平轉(zhuǎn)換器和ESD鉗位電路，為HDMI接口提供了全面的解決方案。其主要特點(diǎn)包括：

1. 無需外部組件即可通過HDMI合規(guī)測試：該芯片可提供穩(wěn)定的5V輸出（5VOUT），為HDMI電源線供電，最大輸出電流可達(dá)55mA，并具備限流功能。
2. 支持多種HDMI標(biāo)準(zhǔn)：兼容HDMI 2.0、1.4和1.3標(biāo)準(zhǔn)，具有廣泛的應(yīng)用范圍。
3. 高效的電源管理：能夠從低至2.3V的電池電壓中產(chǎn)生5V電壓，并且采用了兩級使能方案，可實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的功耗管理，適用于便攜式應(yīng)用。
4. 強(qiáng)大的ESD保護(hù)：符合IEC 61000 - 4 - 2（Level 4）系統(tǒng)級ESD標(biāo)準(zhǔn)，為設(shè)備提供可靠的靜電防護(hù)。
5. 自動(dòng)方向感應(yīng)和電平轉(zhuǎn)換：在CEC、SDA和SCL路徑上具備自動(dòng)方向感應(yīng)、電平轉(zhuǎn)換和緩沖功能，確保信號的準(zhǔn)確傳輸。

二、芯片特性詳解

2.1 引腳配置與功能

TPD5S115采用16引腳的DSBGA（YFF）封裝，尺寸僅為1.72mm x 1.72mm，引腳雖小但功能強(qiáng)大。以下是一些關(guān)鍵引腳的功能介紹：

• 5VOUT（C1）：DC - DC輸出引腳，可向HDMI接收器提供55mA的穩(wěn)壓電流。在低功耗模式下，可通過EN引腳禁用DC - DC轉(zhuǎn)換器。
• EN（C3）：DC - DC使能引腳，當(dāng)EN為高電平時(shí)，啟用DC - DC轉(zhuǎn)換器和熱插拔檢測（HPD）電路。
• LS_OE（B3）：電平轉(zhuǎn)換器使能引腳，當(dāng)EN和LS_OE均為高電平時(shí)，啟用電平轉(zhuǎn)換器和LDO。
• HPD_A（B4）和HPD_B（A3）：分別為系統(tǒng)側(cè)和HDMI側(cè)的熱插拔檢測引腳，用于檢測HDMI設(shè)備的連接狀態(tài)。

2.2 規(guī)格參數(shù)

1. 絕對最大額定值：規(guī)定了芯片在不同情況下能夠承受的最大電壓、電流和溫度等參數(shù)，超出這些值可能會(huì)對芯片造成永久性損壞。例如，VBAT引腳的電壓范圍為 - 0.3V至6V。
2. ESD額定值：TPD5S115具有出色的ESD保護(hù)能力，不同引腳的ESD耐受電壓不同。如大部分引腳的人體模型（HBM）ESD耐受電壓為500V，部分引腳可達(dá)2000V。
3. 推薦工作條件：給出了芯片正常工作時(shí)的電壓、溫度等條件范圍。例如，VCCA的推薦電壓范圍為1.2V至3.6V，VBAT為2.3V至5.5V。
4. 電氣特性：包括輸出電壓、電流、功耗、輸入輸出電容等參數(shù)。例如，DC - DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓范圍為4.9V至5.13V，典型值為5V。

2.3 詳細(xì)功能描述

1. 上升時(shí)間加速器：在DDC線的HDMI電纜側(cè)集成了上升時(shí)間加速器，可支持HDMI電纜側(cè)的高容性負(fù)載，提升信號的上升速度。
2. 熱插拔檢測（HPD）：通過EN引腳啟用DC - DC轉(zhuǎn)換器和HPD模塊后，芯片可持續(xù)檢測HDMI接收器的連接狀態(tài)。當(dāng)HDMI電纜連接接收和發(fā)送設(shè)備時(shí)，DC - DC輸出的5V信號通過接收設(shè)備的內(nèi)部電阻流入HPD輸入，使HPD緩沖器輸出高電平，通知發(fā)送設(shè)備有接收設(shè)備連接。
3. CEC電平轉(zhuǎn)換操作：CEC電平轉(zhuǎn)換功能與DDC線類似，但CEC線不需要上升時(shí)間加速器功能。
4. 上拉電阻：系統(tǒng)設(shè)計(jì)為在DDC、CEC和HPD線上無需外部上拉電阻即可正常工作。
5. 欠壓鎖定：欠壓鎖定電路可防止DC - DC轉(zhuǎn)換器在低輸入電壓下出現(xiàn)故障，并避免電池過度放電。當(dāng)輸入電壓下降到欠壓鎖定閾值（典型值為2V）時(shí)，轉(zhuǎn)換器輸出級將被禁用；當(dāng)輸入電壓上升到2.1V（典型值）時(shí)，設(shè)備重新開始工作。
6. 軟啟動(dòng)：DC - DC轉(zhuǎn)換器內(nèi)置軟啟動(dòng)電路，控制輸出電壓的上升斜率。在EN引腳拉高后，輸出電壓通常在250μs內(nèi)達(dá)到標(biāo)稱值，從5%上升到標(biāo)稱值的時(shí)間約為300μs，可限制啟動(dòng)時(shí)的浪涌電流。

三、應(yīng)用場景與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 應(yīng)用場景

TPD5S115適用于多種需要HDMI接口的設(shè)備，如機(jī)頂盒、電視、智能手機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)、便攜式游戲機(jī)和數(shù)碼相機(jī)等。

3.2 典型應(yīng)用設(shè)計(jì)

3.2.1 DDC或CEC電平轉(zhuǎn)換器

TPD5S115可實(shí)現(xiàn)從VCCA（系統(tǒng)側(cè)）電壓電平到5V（HDMI電纜側(cè)）電壓電平的DDC轉(zhuǎn)換，而不會(huì)降低系統(tǒng)性能。設(shè)計(jì)時(shí)需要注意以下幾點(diǎn)：

• 設(shè)計(jì)要求：明確輸入?yún)?shù)，如5VOUT的直流電流為55mA，CEC_A、HPD_A、SCL_A、SDA_A的電壓電平為VCCA等。
• 詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟
  • 輸入電容：由于升壓轉(zhuǎn)換器的輸入電流具有脈動(dòng)性，需要使用低ESR的輸入電容，以防止大的電壓瞬變。TI建議使用1.2μF（最?。┑妮斎腚娙?，并在VIN和GND引腳附近放置4.7μF的陶瓷電容，以改善調(diào)節(jié)器的瞬態(tài)性能和整個(gè)電源電路的EMI性能。
  • 輸出電容：可使用公式$C{min}=frac{I{OUT} times (V{OUT}-V{IN})}{f times Delta V times V_{OUT}}$估算推薦的最小輸出電容值。為了保持控制環(huán)路的穩(wěn)定性，應(yīng)選擇電容值在計(jì)算最小值范圍內(nèi)的電容，且無最小ESR要求，輸出電容值無上限，較大的電容可降低輸出電壓紋波和負(fù)載瞬變時(shí)的電壓降。
  • 應(yīng)用曲線：通過觀察DDC電平轉(zhuǎn)換器在B到A方向的操作曲線，可進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.2.2 其他應(yīng)用電路

對于不同的HDMI控制器，TPD5S115有不同的應(yīng)用方式。例如，有些HDMI控制器只有一個(gè)GPIO來控制HDMI接口，此時(shí)可將HPD_A和LS_OE引腳連接在一起；而有些控制器有兩個(gè)GPIOs，則可實(shí)現(xiàn)更靈活的節(jié)能模式，通過LS_OE和EN引腳的不同組合來控制芯片的功耗。

3.3 電源供應(yīng)與布局建議

1. 電源供應(yīng)：為確保TPD5S115正常工作，VBAT和VCCA必須在推薦的工作范圍內(nèi)。具體的電源供應(yīng)建議可參考詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟。
2. 布局指南
   • 將TPD5S115盡可能靠近連接器放置，以便在ESD沖擊能量到達(dá)系統(tǒng)板內(nèi)部電路之前將其消除。
   • 將電源線電容和電感靠近引腳放置，并使用寬走線，以減少走線寄生效應(yīng)，確保足夠的電流通過。
   • 確保GND焊盤有足夠的金屬化，以提供安全的ESD能量放電路徑。

四、總結(jié)

TPD5S115作為一款高性能的HDMI伴侶芯片，憑借其豐富的功能、出色的ESD保護(hù)和高效的電源管理能力，為HDMI接口的設(shè)計(jì)提供了可靠的解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，電子工程師們需要根據(jù)具體的設(shè)計(jì)需求，合理選擇芯片的工作參數(shù)和外部元件，同時(shí)注意布局和電源供應(yīng)等方面的要求，以充分發(fā)揮TPD5S115的優(yōu)勢，設(shè)計(jì)出穩(wěn)定可靠的HDMI接口電路。大家在使用TPD5S115的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)交流分享。