ESD204对HDMI接口的浪涌保护

作者: TI 技术销售工程师 Eason Fang

为什么我们需要针对HDMI设计高浪涌保护?

绝大部分工程师在设计时,都会为HDMI接口加上ESD保护,这是因为HDMI接口经常裸露在外,并且对静电十分敏感。但与此同时,浪涌保护设计往往容易被忽略,而成为破坏系统的重要原因。

那么究竟什么是浪涌,以及为什么我们需要针对浪涌设计保护措施呢?广义上讲,浪涌就是电压或者电流在瞬间出现的超过峰值的现象。浪涌发生的时间往往很短,但剧烈的脉冲产生的能量往往会对系统产生极大的冲击。

针对HDMI接口,高浪涌形成的原因有很多,但最主要的因素来自于较长的HDMI线缆,以及闪电。这些因素产生的能量一般会比静电产生的要大,所以相对而言也更需要良好的保护。

那么有些同学会有疑惑,针对哪些应用场景的HDMI接口更可能面对如上所说的长线缆、闪电等造成的高浪涌的情况呢?我们就拿楼宇自动化监控作为例子,IP网络监控摄像头往往被安放在室内外的各个区域,所以同时他们需要对长线缆和闪电进行防护。当然,我们也会建议消费类产品,尤其是电视、笔记本电脑、电视机顶盒等,在设计的时候加入高浪涌防护,想像一下,在一些环境里,比如酒店以及某些私人住宅,人们会把HDMI接口安置在墙上,通过墙内走线到对应的设备。所以墙内的走线相对而言也会很长。这就需要浪涌保护来防止消费者使用长线缆导致HDMI接口的损坏。

IEC-61000-4-5 标准

IEC 61000-4-5 是国际电气委员会(International Electrotechnical Commission)发布的关于浪涌保护的相关标准。你可以参考如下的图示来理解IEC对于静电IEC 61000-4-2和浪涌IEC 61000-4-5的标准的区别。静电现象相比而言有更高的电流尖峰,但是浪涌保护标准需要应对更长时间和更高能量的冲击,这也要求了更高等级的保护。

1. 静电和浪涌电流波形示意图

在此我们推荐TI的ESD204这颗物料,用来应对HDMI的高浪涌保护场景,具体的介绍如下:

ESD204 介绍

ESD204 是一种双向 TVS ESD 保护二极管阵列,可为 HDMI 和 USB 提供高达 5.5A (8/20µs) 的浪涌保护。ESD204 的额定 ESD 冲击消散值达到了 IEC 61000-4-2(4 级)国际标准中规定的最高水平。

ESD204 在实际HDMI保护中的表现

首先我们要测试增加了ESD204保护二极管以后,会不会对系统的信号传递产生影响。HDMI 2.0一致性测试包括测试VL,上升时间和下降时间,线对和线对内偏斜,差分电压,时钟占空比,时钟抖动,数据眼图和差分阻抗。

实验结果表明,ESD204通过了HDMI 2.0一致性测试的所有测试。 这里的图2展示了测试眼图的结果。 我们可以看到ESD204足够强大,足以支持保持HDMI信号完整性。

2. 眼图测试结果

HDMI保护芯片对比

您可能对TI究竟有哪些HDMI保护芯片感到好奇,那么究竟如何选择完全符合我的要求的保护芯片?

表1列出了我们推荐的三颗HDMI接口保护芯片,您可以作为对比参考。

1. 参数对比

SPEC

TPD4E02B04

ESD224

ESD204

IEC 61000-4-2

12kV Contact

15kv Air Gap

12kV Contact

15kv Air Gap

30kV Contact

30kv Air Gap

IEC 61000-4-5

2A (8/20us)

2A (8/20us)

5.5A (8/20us)

Flow Through

Yes

No

Yes

Clamping Voltage

14V at 16A TLP

8V at 16A TLP

11.5V at 16A TLP

Capacitance

0.27pF

0.50pF

0.55pF

从上表中可以明显看出,这三款不同的芯片都有他们各自的优势,也覆盖了不同的HDMI保护场景。

如果你对系统总电容要求很高,并且需要传输非常高速率的信号,那么低电容的TPD4E02B04会是很好的选择。另外,TPD4E02B04有DQA封装,可以帮助你更好的保持信号完整度。

当然,其实这三款芯片的电容都足以满足HDMI 2.0要求的信号速率传输标准。但如果您的系统对高电压非常敏感,那么ESD224会是您的好选择。因为ESD224有更低的钳位电压,可以在产生浪涌、静电时帮您把系统冲击电压钳在更低的位置。

至于本篇的主角ESD204,我们当然是推荐您使用在更高浪涌的场景。如之前所言,长线缆、闪电等因素都是高浪涌的潜在诱发因素。而ESD204针对IEC61000-4-5标准可以做到5.5A (8/20 us) 的防护,是您HDMI等接口浪涌防护的不二选择!