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，廣泛應(yīng)用于消費類產(chǎn)品上，如機頂盒、DVD播放器、個人計算機、電視等設(shè)備。HDMI 2.1標準由HDMI協(xié)會在2017年正式發(fā)布，其關(guān)鍵改進在于將視頻信號傳輸速率從HDMI 2.0的18Gbps大幅躍升至48Gbps，同時支持的分辨率上限由4K升級至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，以此實現(xiàn)高速電子元件的小型化設(shè)計。雖促進了設(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)致的損壞風險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兼容性測試規(guī)范(CTS)的信號完整性和阻抗要求，讓后端的電路得到有效防護。

HDMI接口介紹

HDMI 2.1擁有四組高速差分信號線，支持高達48Gbps的高速數(shù)據(jù)傳輸。HDMI 2.0采用傳統(tǒng)的三對數(shù)據(jù)差分對（TMDS Data0, Data1, Data2）搭配一個時鐘對（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組高速差分信號都定義成Data lane（ Lane0， Lane1， Lane2， Lane3），并直接從信號中提取時鐘，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信號分開的電信號，擁有一套完整的單總線協(xié)議，電子設(shè)備可以使用CEC信號實現(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就是增強型的ARC。從原本只用14引腳進行傳輸變成使用14和19兩個引腳組成差分傳輸對，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器件。

SCL引腳和SDA引腳分別作為HDMI接口的DDC時鐘和數(shù)據(jù)通道。通過這兩個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功能，其作用是當顯示器等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，HDMI源端能夠通過該引腳檢測出這一事件，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接口防護選型要求

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

1. 高速差分信號通道的速率可達48Gbps（每對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保護二極管要求電容足夠低，以保持信號完整性并滿足HDMI合規(guī)標準。
2. 由于TMDS I/O引腳的敏感性質(zhì)，盡量減小鉗位電壓以實現(xiàn)ESD保護。
3. ESD RDYN與電容呈反比關(guān)系，增加二極管結(jié)面積會降低 RDYN，但會增加二極管電容，這可能會降低信號完整性。二極管電容過大可能會降低信號完整性，所以需要盡量保證保護元件的低電容

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-

由于高速差分信號通道在傳輸大量內(nèi)容時仍保持極高速度，因此選擇合適的ESD防護器件至關(guān)重要。我們推薦使用湖南靜芯的深回掃型ESD器件SEUCS10F3V4B。SEUCS10F3V4B是一款保護高速數(shù)據(jù)接口的超低電容深回掃型ESD保護器件，集成了四對超低電容控向二極管和一個TVS二極管，專門設(shè)計用于保護連接到數(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的高速差分信號線防護。

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，可同時對兩對高速數(shù)據(jù)線進行靜電防護，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。

圖4 SEUCS10F3V4B器件眼圖測試結(jié)果

2.CEC控制信號通道

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，可對單條線路進行靜電防護。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。

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，可同時保護HDMI2.1的ARC,SCL,SDA,HPD和電源這五個引腳免受靜電放電(ESD)和低等級浪涌事件的沖擊與干擾。SEUC236T5V4U共有4個IO引腳，一個超強VCC保護引腳，可同時保護四條數(shù)據(jù)信號線和一條電源信號線免受ESD(靜電放電)引起的干擾而損壞，可適用于DP2.0/2.1等接口的信號線防護。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。

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HDMI2.1的ARC,SCL,SDA和HPD引腳進行保護。電源引腳的靜電保護我們推薦湖南靜芯研發(fā)的高電容1路單向ESD保護器件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標準的每次更新，制造商都可以借助工藝技術(shù)的改進增加數(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元件對靜電放電等瞬態(tài)電壓變得越來越敏感，保護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器件為湖南靜芯研發(fā)的深回掃型器件，回掃特性ESD防護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防護效果更優(yōu)，且不影響信號完整性，可更有效保護高速數(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，提升消費者使用體驗。

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。同時推出22V&33V TDS平緩浪涌抑制器，可用于保護工作電壓為20V、24V、28V、36V的系統(tǒng)，具有精準且恒定的觸發(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。結(jié)合TDS器件與深回掃ESD優(yōu)勢，湖南靜芯是國內(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防護完整解決方案140W&180W+80G/120G”等文章。