用共模扼流圈控制高清多媒體接口噪音

中心議題：

• 抑制HDMI輻射噪音的策略
• 保持高清多媒體接口信號(hào)質(zhì)量
• 共模扼流圈的阻抗匹配

1 引言

在數(shù)字家電領(lǐng)域，高清晰度能力的產(chǎn)品發(fā)展速度非常迅速，在TV和DVD播放類產(chǎn)品中，全高清類型的越來(lái)越普通。近幾年來(lái)，新開發(fā)的可以重放高分辨率的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)和游戲機(jī)中，高清產(chǎn)品同樣獲得了快速發(fā)展。

目前的情況可見，在高清晰度設(shè)備中，模擬的D-終端連接器和元器件構(gòu)建的終端已經(jīng)作為視頻終端被應(yīng)用。隨著高清產(chǎn)品向著更高的分辨率發(fā)展，一種被稱為數(shù)字微分接口即所謂的高清多媒體接口(HDMI)被采用，其特點(diǎn)是可以使數(shù)字設(shè)備能夠傳輸高速視頻信號(hào)。HDMI對(duì)信號(hào)的衰減很小，同時(shí)對(duì)外部噪音的抵抗能力較強(qiáng)，其本身的噪音輻射也很低。其原因是由于信號(hào)線路采用了相互消磁的設(shè)計(jì)。雖然如此，輻射噪音產(chǎn)生的問題仍然時(shí)有發(fā)生，例如其內(nèi)部的集成電路(IC)和外圍的電路產(chǎn)生的共模噪音，或者由差分信號(hào)轉(zhuǎn)換來(lái)的噪音。

在以這類方式產(chǎn)生噪音的情況下，采用一個(gè)共模線圈來(lái)抑制噪音的方法是非常有效的，因?yàn)楣材＞€圈可以抑制共模噪音，但對(duì)差分信號(hào)的影響很小。然而應(yīng)該注意的是，由于信號(hào)的頻率不同，外圍電路和元器件不相同，共模扼流圈的選擇和貼裝也不相同。

借助三組信號(hào)線和一組時(shí)鐘線，HDMI可以同時(shí)傳輸視頻和音頻信號(hào)。圖1所示的是一個(gè)應(yīng)用于HDMI的轉(zhuǎn)換最小差分信號(hào)(TMDS)的網(wǎng)絡(luò)圖。其最大的數(shù)據(jù)傳輸率是10.2bps，其中一組的數(shù)據(jù)信號(hào)頻率達(dá)到1GHz甚至更高。最初，HDMI接口能夠傳輸?shù)囊曨l分辨率高達(dá)1080p或者8位真彩色。HDMI1.3版本的可以傳輸圖像分辨率為1080p或12位深彩色。

圖1 HDMI共模扼流圈的工作原理圖

2 抑制HDMI輻射噪音的策略

在研究這種方法的過程中，用一根3米長(zhǎng)線纜連接兩個(gè)HDMI設(shè)備，測(cè)試從1~5GHz的輻射噪音。表1列出了幾種不同型號(hào)共模扼流圈的規(guī)格及其參數(shù)，它們分別是同樣尺寸(1.25×1.0mm)的DLP11SN900HL2和DLP11SA900HL2，以及2.0×1.2mm尺寸的DLW21SN900HQ2。

表 1  幾種共模扼流圈的規(guī)格與參數(shù)

圖3所示為使用共模扼流圈后，HDMI輻射噪音的測(cè)量結(jié)果。從圖中可見，這種共模扼流圈圖可以抑制1GHz甚至更高頻率的噪音。實(shí)際上，它對(duì)高次諧波有很強(qiáng)的抑制效果。所有這些共模扼流圈應(yīng)用的效果來(lái)講，噪音在2.22GHz處衰減約為10db。圖中還顯示出由于使用了共模扼流圈，噪音在3.33GHz和4.44GHz時(shí)的衰減呈現(xiàn)多樣性。另外，從圖中可見，DLP11SN900HL2的噪音抑制效果比其它型號(hào)共模扼流圈差，這是因?yàn)镈LP11SN900HL2的Scc21值在3GHz及更高頻率處相對(duì)較低，如圖2所示。由圖2和圖3顯示結(jié)果可見，增加一個(gè)在30GHz及以上頻率處有10db以上衰減能力的共模扼流圈是必須的。

3 保持高清多媒體接口信號(hào)質(zhì)量

基于與HDMI1.3版本兼容的信號(hào)波形評(píng)估，就是采用一個(gè)視頻信號(hào)發(fā)生器作為信號(hào)源，同時(shí)用12位的深色信號(hào)作為輸出信號(hào)，評(píng)估在這種應(yīng)用上加一個(gè)共模扼流圈和一個(gè)普通的靜電保護(hù)元器件后的信號(hào)波形狀態(tài)。圖4所示為各部件安裝順序不同時(shí)的波形傳輸變化情況。在該評(píng)估中，我們采用了一個(gè)截止頻率為3.5GHz的共模線圈DLP11SN900HL2和一個(gè)1.0PF的電容器做ESD保護(hù)器件。

圖5所示的是，當(dāng)一個(gè)截止頻率大概是1GHz的共模扼流圈被采用時(shí)，HDMI信號(hào)波形產(chǎn)生的情況。這時(shí)，信號(hào)波形失真嚴(yán)重，已經(jīng)不能滿足HDMI標(biāo)準(zhǔn)了。在研究了波形和共模扼流圈的截止頻率之后，可以發(fā)現(xiàn)，只有截止頻率為3.5GHz或更高的共模扼流圈，才能保證有足夠的周邊來(lái)傳輸12位的深色信號(hào)。但是，工程師們應(yīng)該注意到，因?yàn)殡S著壓敏電阻的量值和安裝位置的不同，都會(huì)影響到靜電屏蔽裝置的波形傳輸。

4 共模扼流圈的阻抗匹配

圖6所示的是用一個(gè)TDR測(cè)量?jī)x器測(cè)試共模扼流圈的阻抗。零件的阻抗等于傳輸線的特性阻抗。為了使傳輸信號(hào)沒有輻射，阻抗匹配是必須的。圖6同時(shí)也顯示了共模扼流圈用于阻抗匹配的評(píng)價(jià)，符合HDMI標(biāo)準(zhǔn)要求的100+/-15Ω。由于使用了一個(gè)ESD器件的電容器，有時(shí)會(huì)造成阻抗不能滿足標(biāo)準(zhǔn)的需要。在這種情況下，用共模扼流圈加ESD壓敏電阻就可以滿足阻抗匹配標(biāo)準(zhǔn)了。圖7所示為在HDMI接口和1.0PF電容的ESD壓敏電阻之間加一個(gè)DLP11SN900HL2的阻抗情況。此時(shí)的阻抗已經(jīng)滿足阻抗匹配標(biāo)準(zhǔn)了。

5 小結(jié)

根據(jù)以上所述的評(píng)價(jià)模式，確定在HDMI1.3版本或12位深色信號(hào)的有效噪音抑制措施和方法，并給予了實(shí)施。首先，共模扼流圈的Scc21值要高，用來(lái)抑制GHz頻段的噪音，而且在3GHz或以上頻率時(shí)，Scc21要高于10db。其次，共模扼流圈的截止頻率應(yīng)高于或等于3.0GHz，以確保足夠的眼圖信號(hào)空間。最后，為了確保抗靜電功能，貼裝順序應(yīng)先安裝接口，接著安裝ESD器件，最后安裝共模扼流圈。但是，阻抗匹配將變得更困難，這是必須注意的問題。

在HDMI上加共模扼流圈的評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，都應(yīng)考慮接口標(biāo)準(zhǔn)、信號(hào)頻率和周邊電路，用以確定對(duì)噪音抑制的影響。