ESD204对HDMI接口的浪涌保护

2020年2月2日08:45:00 评论

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,所以需要同时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。

ESD204对HDMI接口的浪涌保护
图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。

ESD204对HDMI接口的浪涌保护
图2:眼图测试结果

HDMI保护芯片对比

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。

ESD204对HDMI接口的浪涌保护
表1:参数对比

从上表中可以明显看出,这三款不同的芯片都有它们各自的优势,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(8/20us)的防护,是HDMI等接口浪涌防护的不二选择。

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