ESD204对HDMI接口的浪涌保护

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。

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。

图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。

表 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。

审核编辑：郭婷