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HDMI接口保护在消费类电子应用方案

发布时间:2012-2-24 下午11:17

作者: jiangliu5089

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关键词:HDMI,ESD保护、WS05-4R4M、WS05-4R2P、WPESD4-2510-14、 WEO5DUCB1、 WPESD2-0402-05
1.??? HDMI接口简介
HDMI,即高清晰度多媒体接口(High Definition Multimedia Interface)是一种全数字化影像和声音传送接口,它将音频和视频信号整合在单一的数字接口中,支持无压缩数字视频、多路音频信号,以及视频源和液晶电视等接收器之间的数据通信,可用于蓝光播放器、DVD播放器、PVR、数字电视(DTV)、机顶盒、游戏机和其他音视频设备。
据IHS iSuppli公司的研究,2011年支持HDMI接口的设备的全球工厂出货量,将从2010年的4.777亿个增长到6.291亿个,增幅高达44%。未来三年的增长速度将有所放缓,但仍将保持在20-35%,到2014年将有大约13亿个设备采用HDMI接口。HDMI接口将成为液晶电视等消费类电子产品主要的设备接口。
2.??? HDMI 接口ESD防护的重要性
2.1??? HDMI接口对ESD极为敏感
HDMI接收器和发射器的IC芯片全部采用深亚微米工艺制造。亚微米CMOS制作过程十分敏感,通常设有ESD保护限制(最高2kV),必须符合人体放电模式(HBM)标准。另外,LCD电视和机顶盒(STB)等终端应用极易受到ESD冲击,特别是HDMI等热插拔接口。另外,大多数生产商都在争取获得某些消费电子产品证书(如CE认证),根据IEC61000-4-2标准,认证产品必须具备极高的ESD保护性能。这一领域的ESD放电可能远比HBM标准规定的放电情况严重。考虑上述原因,生产商强烈建议为外部端口增加额外的ESD保护电路。
2.2?? HDMI接口的ESD防护要求
HDMI接口的数据传输速率达到了10.2GHz/s,对于静电防护器件具有较高的要求,ESD保护器件除了保护数据传输线路,还要求必须保持其信号的完整性。保护器件要求具有更小的寄生电容、更低的箝位性能、更小的PCB占用面积及更为优化的线路设计。表1 是目前HDMI接口静电防护需求。可以看出,其中可接受最大线路间电容为1pF,若考虑设计余量,静电防护器件的寄生电容还要更小;ESD防护至少要通过IEC61000-4-2? Level4? 的测试,若考虑设计余量,可能要增强到接触放电10kV, 空气放电30kV 。
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表1? HDMI接口的静电保护需求
HDMI接口可接受线对地最大电容ESD保护水平
电源线无要求
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IEC61000-4-2
接触放电 8KV
空气放电 15KV
信号线 TMDS_D2+<1pF
信号线 TMDS_D2-<1pF
信号线 TMDS_D1+<1pF
信号线 TMDS_D1-<1pF
信号线 TMDS_D0+<1pF
信号线 TMDS_D0-<1pF
时钟线 TMDS_CK+<1pF
时钟线 TMDS_CK-<1pF
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3.??? HDMI接口保护方案
针对HDMI接口对器件极低电容的要求,长园维安微电子推出了一系列不同封装的低电容ESD保护产品,可以分为两大类,一类是瞬态电压抑制器TVS保护器件,另一类为高分子静电抑制器PESD。TVS具有工作电压低、箝位电压精准、封装形式灵活多样等优点,是HDMI接口ESD防护的理想选择器件。而高分子静电抑制器它具有极低的电容(0.08pF),极低的漏电流(<1nA),是各种高速接口的理想ESD保护器件。下面分为两大类对HDMI的ESD保护方案进行讨论。
2.??
3.??
3.1? TVS保护方案
2.????
3.????
3.1????
3.1.1??? 高度集成TVS阵列保护方案——WS05-4R4M和WS05-4R2P保护方案
长园维安微电子采用自有知识产权的低电容多线集成过压保护技术,为主流高速数据接口的ESD防护提供了高性价比的ESD保护器件。针对HDMI接口,推荐两款高密度的四通道TVS阵列WS05-4R4M和WS05-4R2P。其中WS05-4R4M为MSOP-10L封装,WS05-4R2P采用DFN-10L封装的形式。该两款产品具有以下特点:
???????? 可实现差模线路和差共模静电与浪涌防护;
???????? 线间不存在闩锁,可以不接地使用;
???????? 线间电容仅为 0.3pF;
???????? 符合下列标准:
静电放电,IEC61000-4-2,±8kV(接触式),±15kV(空气)
雷击浪涌,IEC61000-4-5,6A (8/20μs) ;
表2为WS05-4R4M和WS05-4R2P的内部结构和封装外形图,可以看出这两款器件内部结构相似,不同的是WS05-4R4M的8脚可以接电源端,同时对电源线进
行ESD保护,而WS05-4R2P的8脚与3脚相连接接地。这两款器件都是内部
通过集成大功率TVS及高速开关二极管,实现低电容多线集成过压防护。由于器件采用高压开关二极管工艺,因此能够承受瞬态峰值电压高达几千伏的纳秒级的浪涌冲击,并实现几十伏的低箝位电压。
表2 WS05-4R4M和WS05-4R2P的内部结构及管脚外形
型号内部管脚分布管脚外形图
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WS05-4R4M

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WS05-4R2P
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WS05-4R4M应用于HDMI的ESD保护电路连接如图1所示,采用4颗WS05-4R4M实现对数据线路和时钟信号线路的差共模ESD保护。图2为WS05-4R2P应用于HDMI的ESD保护电路连接图,与WS05-4R4M相同,需采用4颗WS05-4R2P对数据线路和时钟信号线路的差共模ESD保护。从图中可以看出,WS05-4R2P的3脚和8脚接地,而WS05-4R4M的3脚接地,8脚不连接。图1.jpg
图1 WS05-4R4M和WS05-4R应用于HDMI接口保护
图2.jpg
图2 WS05-4R2P应用于HDMI接口保护
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图3 WS05-4R4M静电测试波形图?????????? 图4 WS05-4R2P静电测试波形图
3.1.2??? 分立器件保护方案——WE05DUCB1
WE05DUCB1是一款低电容单通道单向ESD保护产品,采用FBP2C(0402规格)的封装形式,设计为适用于目前各种主流高速数据接口应用。它具有以下特点:
???????? 贴片小尺寸封装FBP2C(0402规格),更节省PCB空间;
???????? 寄生电容仅为? 0.5pF? ;
???????? 符合下列标准:
静电放电,IEC61000-4-2,±8kV(接触式),±15kV(空气)
雷击浪涌,IEC61000-4-5,7A (8/20μs) ;
? 图5是WE05DUCB1的内部结构图。 该器件内部通过单芯片集成功率TVS及高速开关二极管,实现低电容过压防护。由于器件采用高压开关二极管工艺,因此能够承受瞬态峰值电压高达几千伏的纳秒级别的浪涌冲击,并实现十几伏的低箝位电压。
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图5? WE05DUCB1 内部结构?????????? 图6? WE05DUCB1功能示意图
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??? 该器件并非常规的单PN结二极管,但其外部电特性仍然符合二极管的特征,因此在功能上可以看作是单向的二极管,如图6 所示。
WE05DUCB1应用于HDMI的ESD保护电路连接如图7所示,采用8颗WE05DUCB1实现对数据线路和时钟信号线路的差共模ESD保护。图8是WE05DUCB1在不接入电路时8kV静电测试波形图。图8.jpg
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图7 WE05DUCB1应用于HDMI接口保护
图8 WE05DUCB1静电测试波形
3.2? 高分子静电抑制器(PESD)保护方案
PESD 即(Polymer ESD Suppressors),是一款基于压敏材料特性特点的过压保护器件。通常,PESD并联在电路中,处于高阻状态,当有静电造成的过压事件发生时,PESD阻值迅速降低,将过压所致的过电流导至地,并将电压限制在一个期望的值上,从而对电子设备起到保护的作用。
图9是PESD的电特性图,从图中可以看出,当有ESD过压脉冲时,PESD可在<1ns的时间内将过电压脉冲钳制到一个非常低的水平Vc.
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图9 PESD电特性图
3.2.1??? WPESD4-2510-14应用于HDMI接口保护
WPESD4-2510-14是一款集成的PESD保护器件,它的内部结构如图9所示,功能上可看做是四个双向的二极管集成在一个芯片内,可为4线高速数据接口提供差共模ESD保护,该款产品具有以下特点:
???????? ?? 超低电容(<0.1pF)
???????? ?? 响应极快(<1ns)
???????? ?? 漏电流极小
???????? ?? 微型集成化封装,同时提供4线的双向ESD保护
???????? ?? 符合RoHS、REACH及无卤素认证
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图9 WPESD4-2510-14的内部功能图
WPESD4-2510-14的电参数如表3所示,它的漏电流只有1nA,电容只有0.08pF,远远满足HDMI接口对电容的要求。
表3 WPESD4-2510-14 电参数
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型号工作电压触发电压钳位电压漏电流电容(线对线)
VRVTVCILCP
最大值典型值典型值典型值典型值
VVVnApF
WPESD4-2510-663504010.08
*触发电压和箝位电压是按照IEC61000-4-2,标准4的8kV接触放电的方法测试所得结果
*电容是在1MHz~3GHz, 1Vrms的条件下测量所得.
*漏电流是在6V的直流偏压所得结果.
WPESD4-2510-14应用于HDMI接口保护的电路连接如图10所示,采用两颗WPESD4-2510-14便可实现对HDMI接口数据线路和时钟信号线路的差共模保护。
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图10 WPESD4-2510-14和WS05-4R应用于HDMI接口保护
3.2.2??? WPESD2-0402-05应用于HDMI接口保护
WPESD2-0402-05是一款分立的双向PESD保护器件,如图11所示,它的功能相当于一个双向TVS,采用0402小型化封装,广泛应用于各种便携式电子产品的ESD保护。该款产品具有以下特点:
???????? ?? 超低电容(<0.1pF)
???????? ?? 响应极快(<1ns)
???????? ?? 漏电流极小
???????? ?? 微型集成化封装,同时提供4线的双向ESD保护
???????? ?? 符合RoHS、REACH及无卤素认证
图11 WPESD1-0402-06功能图
WPESD2-0402-05的电参数如表2所示,它的漏电流只有1nA,电容只有0.05pF,远远满足HDMI接口对电容的要求。
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表4 WPESD2-0402-05 电参数
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型号工作电压触发电压钳位电压漏电流电容(线对线)
VRVTVCILCP
最大值典型值典型值典型值典型值
VVVnApF
WPESD2-0402-0563504010.05
*触发电压和箝位电压是按照IEC61000-4-2,标准4的8kV接触放电的方法测试所得结果
*电容是在1MHz~3GHz, 1Vrms的条件下测量所得.
*漏电流是在6V的直流偏压所得结果.
WPESD2-0402-05应用于HDMI接口保护的电路连接如图12所示,采用8颗WPESD2-0402-05便可实现对HDMI接口数据线路和时钟信号线路的差共模保护。
图12 WPESD1-0402-06功能图
4.????? 这几种应用方案对比
以上提供了5款HDMI保护方案,如表5所示,
下面从箝位性能、成本等几个方面对这几款方案做一个对比,客户可根据自己的应用需求选择最佳的保护方案。
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表5 HDMI保护方案对比
产品型号电容
(pF)所用个数占PCB版面积
(mm2)是否集成化成本
(USD)
WS05-4R4M0.32(4)3*4.9*2(*4)是0.15*2(*4)
WS05-4R2P0.32(4)2.5*1.0*2(*4)是0.09*2(*4)
WPESD4-2510-140.082(4)2.5*1.0*2(*4)是0.075*2(*4)
WEO5DUCB10.58(16)1.0*0.6*8(*16)否0.035*8(*16)
WPESD2-0402-050.058(16)1.0*0.6*8(*16)否0.030*8(*16)
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