智能電視中HDMI與RJ45接口的ESD保護(hù)方案

高清數(shù)字內(nèi)容過去只能承載于物理磁盤上，需要專用設(shè)備才可以播放;而今，寬帶連接無處不在，高清數(shù)字內(nèi)容可以從“云”端中以“流”的形式傳送和定制到計(jì)算機(jī)、智能手機(jī)或任何其它連網(wǎng)設(shè)備上。傳統(tǒng)電視是一種獨(dú)立的終端，只能接收廣播電視節(jié)目，由于它不具備我們習(xí)慣使用的聯(lián)網(wǎng)功能，最終會(huì)成為過時(shí)的產(chǎn)品。因此，智能電視產(chǎn)業(yè)應(yīng)運(yùn)而生。

智能電視是指集成了互聯(lián)網(wǎng)功能的電視機(jī)，它能提供比當(dāng)今普通電視機(jī)更高級(jí)的計(jì)算能力和聯(lián)網(wǎng)功能。為了獲得更高性能，智能電視通常都采用最新一代的技術(shù)。隨著更小更先進(jìn)的集成電路不斷促進(jìn)電視機(jī)的發(fā)展，電磁兼容(EMC)領(lǐng)域?qū)⒊霈F(xiàn)新的挑戰(zhàn)，因?yàn)檫@些高速信號(hào)接口在正常使用條件下會(huì)受到靜電和電纜放電事件的威脅。

本文將針對(duì)智能電視上兩個(gè)最常見和最敏感的接口：HDMI與千兆以太網(wǎng)接口提供保護(hù)方案。

HDMI的ESD/CDE保護(hù)

自從推出以來，HDMI(高清晰多媒體接口)已逐漸得到普及。消費(fèi)電子領(lǐng)域廣泛采用該接口進(jìn)行高清數(shù)字內(nèi)容的傳輸。不過，作為一種高性能接口，HDMI對(duì)于來自熱插拔的電纜放電以及來自用戶的直接靜電放電(ESD)都極度敏感。

為確保其正常的功能，基于HDMI的系統(tǒng)必須保護(hù)所有可能暴露的接口信號(hào)與電源引腳，以符合或超出IEC 61000-4-2，Level 4(±15kV空氣放電，±8kV接觸放電)的EOS(過度電性應(yīng)力)規(guī)范要求，而不致?lián)p壞。目前HDMI芯片工作在2.25Gbps，不久將達(dá)到3.4Gbps。在如此高的數(shù)據(jù)傳輸速率下，對(duì)信號(hào)完整性與阻抗要求的關(guān)注將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過HDMI一致性測(cè)試規(guī)范(CTS)。該規(guī)范要求所有HDMI接收設(shè)備都需將高速線路的差分阻抗保持在100Ω±15%。

在3.4Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速率下，如何在不增加額外電容負(fù)載的條件下提供低箝位電壓保護(hù)非常關(guān)鍵。為有效抑制瞬態(tài)浪涌對(duì)低箝位電壓的沖擊，TVS二極管中需要更多的硅片面積。但增加硅片面積將以電容增大為代價(jià)。通過在處理浪涌的TVS二極管周圍構(gòu)建一個(gè)小電容二極管陣列，就可以解決這個(gè)兩難的問題。這種方法能有效降低保護(hù)電路的總電容，同時(shí)保持強(qiáng)大的浪涌保護(hù)能力。升特(Semtech)公司首創(chuàng)了采用這種架構(gòu)的高級(jí)集成式TVS器件，無需付出高電容的代價(jià)就能獲得良好的保護(hù)。

RClamp0584J是這種集成式TVS保護(hù)器件的一個(gè)最佳實(shí)例(圖1)。該器件是RailClamp系列高速接口保護(hù)產(chǎn)品的最新成員。這種四線、5V工作電壓保護(hù)器件的性能超出了IEC 6100-4-2 level 4對(duì)靜電瞬變的保護(hù)要求。圖1同時(shí)也明確顯示，這款器件采用了獨(dú)特的封裝設(shè)計(jì)。“穿通型(Flow through)”封裝一詞來自升特公司，這種封裝允許走線直接穿過保護(hù)器件，因此最大限度地減小了由于平衡差分線對(duì)的中斷或失配所導(dǎo)致的額外寄生電感與電容。

給HDMI接口增加ESD保護(hù)時(shí)，必須保證確保器件對(duì)信號(hào)完整性的影響最小。眼圖測(cè)試可以顯示源接口上的任何信號(hào)失真，眼圖可采用圍繞HDMI眼罩構(gòu)成一個(gè)“開放”眼的位模式，這種干凈的眼圖能夠驗(yàn)證良好的信號(hào)完整性。圖2給出了眼圖測(cè)試的一個(gè)例子。作為參考基準(zhǔn)，左圖是沒有任何保護(hù)的HDMI視頻信號(hào)，右圖則是增加了TVS保護(hù)器件后的HDMI接口信號(hào)?？梢钥闯鯮Clamp0584J對(duì)眼圖的信號(hào)完整性影響非常小。

千兆以太網(wǎng)的浪涌保護(hù)

典型智能電視與傳統(tǒng)電視的主要區(qū)別是通過以太網(wǎng)接入互聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)功能。千兆以太網(wǎng)已廣泛應(yīng)用于新型智能電視。它工作在125MHz頻率，用四對(duì)雙絞線進(jìn)行收發(fā)(全雙工)。它采用一種雙向的五級(jí)編碼機(jī)制，該機(jī)制需要一個(gè)復(fù)雜的PHY芯片組。最新的以太網(wǎng)PHY芯片組一般都采用65nm或45nm工藝制作。這些更小的技術(shù)節(jié)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)更高的性能，但也增加了對(duì)帶電電纜、閃電或“人體”靜電所引起致命破壞的敏感性。

過去，ESD和CDE一直是計(jì)算機(jī)或消費(fèi)電子產(chǎn)品中以太網(wǎng)接口的最典型瞬變威脅。閃電或浪涌保護(hù)主要用于通信基礎(chǔ)設(shè)施。近年來，由于技術(shù)的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)與消費(fèi)電子產(chǎn)品越來越便宜。當(dāng)全球大多數(shù)人都能擁有自己的計(jì)算機(jī)或電視機(jī)，這些電器產(chǎn)品被帶入一個(gè)需考慮瞬變威脅的不利環(huán)境中。中國(guó)現(xiàn)已強(qiáng)制要求銷往某些農(nóng)村地區(qū)的電子產(chǎn)品應(yīng)具備以太網(wǎng)浪涌保護(hù)功能。新標(biāo)準(zhǔn)可確保昂貴的產(chǎn)品具有合理的使用壽命，以及使用該產(chǎn)品的家庭的安全性。中國(guó)的浪涌測(cè)試采用金屬性保護(hù)(線間)或縱向保護(hù)(線至地)波形。波形被定義為具有10μs的上升時(shí)間和700μs的衰減時(shí)間，客戶定義的開路電壓不低于1kV。正、負(fù)極性的浪涌都要進(jìn)行測(cè)試。要達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備必須在浪涌測(cè)試后仍然能夠繼續(xù)工作。

以太網(wǎng)端口包括變壓器以及共模扼流圈，用于將PHY連接至外部世界。變壓器與扼流圈都可以是分立器件，但集成方案(包含RJ-45接口、電阻和電容)正變得日益普及。在任何情況下，變壓器都將提供對(duì)外部電壓的高水平共模隔離，但不提供線間浪涌保護(hù)。對(duì)于線間(線與線)浪涌，電流將流入一根導(dǎo)線，穿過變壓器再返回至源頭。電流流過時(shí)會(huì)給線端(RJ-45端)的變壓器繞組充電。一旦浪涌消失，線端繞組將停止充電，并將其存儲(chǔ)的能量傳送給PHY芯片所在的芯片端。傳送到PHY端的脈沖信號(hào)很可能會(huì)損壞PHY芯片。

實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)收發(fā)器的可靠保護(hù)需要采用一組外部保護(hù)器件，它可以吸收預(yù)期的瞬變能量，將進(jìn)入的浪涌快速地降低到安全電平，但在正常工作情況下對(duì)系統(tǒng)沒有影響。為保證差分線對(duì)的信號(hào)完整性，必須對(duì)電容性負(fù)載與封裝進(jìn)行優(yōu)化。另外，每個(gè)最新以太網(wǎng)部署都會(huì)用到更高密度的電路板，因而要求保護(hù)方案占用更小的電路板空間。

升特公司的最新以太網(wǎng)保護(hù)方案RClamp2574N可滿足并超過所有上述要求。建議將其放置于變壓器的PHY端，盡可能靠近磁體。RClamp2574N可配置為保護(hù)一個(gè)千兆以太網(wǎng)的全部四對(duì)差分線對(duì)。如圖3所示，八個(gè)I/O引腳中的每一個(gè)都有一個(gè)低電容的控向二極管對(duì)，該器件用來將有害的浪涌電流引入內(nèi)部的低壓TVS二極管。控向二極管的工作電壓僅有2.5V，采用升特公司專利的EPD工藝技術(shù)制造。低壓導(dǎo)通是一個(gè)很重要的保護(hù)參數(shù)，因?yàn)楹芏郟HY芯片都集成了ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)并非針對(duì)承受很大的電能而設(shè)計(jì)。如果它們?cè)谕獠勘Ｗo(hù)實(shí)現(xiàn)之前導(dǎo)通，則可能導(dǎo)致PHY芯片故障。典型千兆以太網(wǎng)PHY的工作電壓為2.5V，因此應(yīng)選用2.5V的TVS，因?yàn)橐坏┢骷械挠泻﹄妷撼^了保護(hù)器件的穿通電壓，2.5V的TVS會(huì)立即導(dǎo)通，從而有效地保護(hù)PHY芯片。

圖4顯示了RClamp2574N的流通型PCB走線。信號(hào)線連接到第1、2、4、5、6、7、9和10腳。第3腳與8腳連接到三個(gè)中心接地。在一個(gè)典型以太網(wǎng)應(yīng)用中，這些引腳以及接地都應(yīng)懸空(即不接地)。在本例中，走線寬度為0.005英寸。過孔用于第6、7、9和10腳的換層連接，這樣所有八根信號(hào)線都可采用易于實(shí)現(xiàn)的流通型(flow though)布局。

另外，RClamp2574N的線間典型電容為1.7pF，這個(gè)值足夠小，可避免任何數(shù)據(jù)包丟失或錯(cuò)誤。

本文小結(jié)

智能電視采用的最新技術(shù)也帶來了獨(dú)特的靜電保護(hù)問題。良好的瞬變抑制要求有最先進(jìn)的保護(hù)機(jī)制，能將瞬變電壓降低到一個(gè)安全水平，同時(shí)保持系統(tǒng)信號(hào)的完整性。盡早選擇正確的保護(hù)方案可以防止在設(shè)計(jì)后期出現(xiàn)瞬變電壓威脅，消除了重新進(jìn)行設(shè)計(jì)布局所花費(fèi)的不必要時(shí)間，從而在競(jìng)爭(zhēng)激烈的消費(fèi)電子領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品快速上市。