基于HDMI接口的ESD保护设计与实现

论文摘要

高清晰度多媒体接口（HDMI）是数字电视和消费电子产品的接口标准,由单一电缆传送无压缩的多信道音频信号及高分辨率视频信号,同时无需在信号传送前进行数/模或者模/数转换,可以保证最高质量的影音信号传送。HDMI采用了先进的最小变换差分信号通道作为基本电气连接,随着最新的HDMI 1.3标准的颁布,HDMI的数字信号最大传输速度可达到10.2Gbps,但HDMI图像芯片几何尺寸非常小,因此对静电放电（ESD）非常敏感。由于HDMI是热插拔接口,在现实生活中用户经常接触HDMI接口,因此会引起对接口的静电放电,容易损坏甚至摧毁内部芯片。高速视频信号中的容性负载会导致信号衰减,所以ESD保护设备利用各种方法和技术降低电容。为了降低容性负载必须谨慎地选择ESD器件。本文的研究重点即是基于HDMI接口的ESD保护。本文首先介绍了HDMI接口的基本原理,物理构架,详细的分析了其电气特性,指出了要进行基于HDMI接口设计所要熟悉的一些关键技术。然后对ESD保护原理及方法进行了说明,比较了几种常见保护元件,分析了它们之间各自的优势,并选定了适合HDMI接口使用的TVS元件。保护高速接口的传统方法常采用控向二极管和聚合体器件,但这类保护器件对HDMI保护并不是最理想的。传统二极管并不能承受IEC 61000-4-2定义的ESD脉冲高能量,聚合体器件虽然电容低,但启动电压并不可靠,通常高于1kV。这就意味着受保护的IC在聚合体器件对ESD有反应之前最低必须承受1kV电压。因此必须采用更合适的瞬态电压抑制（TVS）二极管作为保护设备。本文接着详细阐述了TVS二极管的工作原理和特性,并在此基础上建立了HDMI接口的ESD保护TVS二极管参数模型。对于高速数据信号传输电路来说,瞬态电压抑制二极管的每一个参数都有可能对信号传输质量产生比较大的影响,因此必须精确地选择元件参数来匹配保护电路和信号传输线路。本文最后部分在全面了解ESD保护技术的基础上,给出了一种保护电路设计的方案,针对HDMI的接口各个引脚分别设计保护电路,通过计算机仿真进行分析保护器件的插入损失,比较设置保护电路与不设置保护电路时静电放电对信号的影响,结果证明了设计的可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 HDMI接口简介
• 1.2 ESD概述
• 1.3 论文的具体工作及内容安排
• 第2章 HDMI技术特性分析
• 2.1 HDMI基本原理
• 2.2 HDMI物理层
• 2.2.1 接口型号
• 2.2.2 电气特性
• 2.3 信号与编码原理
• 2.3.1 信号与编码原理概述
• 2.3.2 操作模式
• 2.3.3 数据编码与解码
• 2.4 本章小结
• 第3章 ESD保护原理及方法
• 3.1 静电放电原理
• 3.2 静电放电模型
• 3.3 ESD保护方法的对比分析
• 3.3.1 常见ESD保护元件分类
• 3.3.2 ESD测试方法分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 TVS二极管SPICE参数建模及性能分析
• 4.1 TVS二极管特性分析
• 4.2 TVS二极管特性参数说明
• 4.3 TVS二极管参数选取
• 4.4 SPICE参数建模
• 4.4.1 SPICE参数说明
• 4.4.2 TVS二极管SPICE参数建模
• 4.5 模型性能分析
• 4.6 本章小节
• 第5章 保护电路设计与仿真分析
• 5.1 保护电路设计
• 5.1.1 TMDS保护
• 5.1.2 +5V电源信号保护
• 5.1.3 电平转换电路保护
• 5.1.4 反向驱动保护
• 5.1.5 地线设计
• 5.1.6 HDMI接口整体保护
• 5.2 仿真分析
• 5.3 本章小结
• 第6章 系统总结和展望
• 6.1 系统总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研情况