满足GMSL静电防护要求的方案

 

什么是GMSL?它是做什么用的?它有什么优点?设计GMSL防静电有啥难度?带着这些疑问我们先了解下什么是GMSL。

一.简述 GMSL

GMSL(Gigabit Multimedia Serial Link)即千兆多媒体串行链路，是 Maxim 公司推出的一种高速串行接口，适用于音频、视频和控制信号的传输。

通信介质支持同轴电缆以及屏蔽双绞线，使用50Ω同轴电缆或者100Ω屏蔽双绞线(STP)时，长度可达15米。其核心技术是串行器/解串器技术(SerDes)，首先通过串行器将并行数据流转为串行数据流，然后通过更高的频率进行传输，之后再通过解串器将接收到的串行数据流转换为并行数据流。

GMSL 的意义在于解决了音频、视频和控制信号的高速传输问题。在此之前，大量数据传输通常采用并行总线增加带宽，但线束过多会增加成本、重量和 EMI 电磁干扰。当数据量达到一定量级后，并行总线的劣势显现，如难以和时钟同步、布线长度差异导致同步困难、信号线间相互干扰等，这是并行总线的技术瓶颈。而串行总线不存在信号线间干扰和同一时序问题，只需提高频率，且工业上一般使用差分信号传输，更能保证信号准确性，所以目前面对高数据流传输，串行总线被广泛采用。

二. GMSL 应用场合

GMSL 常见的应用场景包括以下几方面：

1. 汽车电子领域：用于车载摄像头、显示屏等设备之间的高速数据传输，以支持高级驾驶辅助系统(ADAS)和车载信息娱乐系统。

2. 工业自动化：在工厂自动化设备中，连接各类传感器、摄像头和控制单元，实现高速、可靠的数据通信。

3. 安防监控系统：用于连接监控摄像头和监控中心的设备，确保高清视频信号的稳定传输。

4. 医疗设备：例如在医疗成像设备中，实现图像数据的快速传输和处理。

所以GMSL应用就在我们身边，这些应用场景都依赖于它能够提供的高速、低延迟和抗干扰的数据传输能力。

三.GMSL 具有以下特点和优势

高速率：目前基于 GMSL 架构的通信协议最高可实现单通道 6Gbps(GMSL2) 的速率。

远距离：使用特定线缆时传输距离15米。

抗干扰性强：串行传输方式及差分信号传输使其具有较强的抗干扰能力。

GMSL 技术经历了较长的发展时间。第一代 GMSL 从 2003 年开始，最高支持 3Gbps 的传输速率，可传输 1080p/30fps(1 百万-3 百万像素)的视频流数据;2017 年之后出现的 GMSL2 代技术，传输带宽提升至 6Gbps，能轻松传输 4K/30fps(8 百万像素)的视频流数据。

四.GMSL-POC设计

GMSL-POC 是现在大家应用的比较多的一项技术，POC 则是指同轴电缆供电(Power Over Coaxial)，也就是在同轴线缆中除了传输 GMSL 串行数据外，还同时传输电源。

在 GMSL 系统中使用 POC 技术具有一些优势，例如减少线缆数量、简化系统布线等。POC 电路设计的原则是通过多个电感构成宽频带滤波器，在低频时使 DC 直流电源顺利通过，在高频时具有足够大的阻抗以抑制正向通道数据(如摄像头采集的数据信号)及反向通道(控制信号)数据通过，防止信号泄露到直流电源端。同时采用电容隔离直流信号，耦合高速信号，以确保高速信号在要求的带宽区间内顺利通过。

在实际应用中，为了确保 GMSL POC 系统的正常运行，需要合理配置相关的电阻、电感等元件，并根据具体的电压情况(如 5V 或 12V POC)进行调整。同时，要注意保护系统免受过压和过流等情况的影响。

GMSL-POC系统设计框图如下：

五. 关于GMSL静电保护

1. 为什么需要增加静电保护器件？

我们知道静电放电(ESD)是一种电荷的积累，静电可能会导致GMSL 相关的设备出现各种问题，例如功能失效、数据错误、甚至永久性损坏等。在一些对可靠性要求较高的应用场景中，如汽车电子系统，微小的静电脉冲都可能干扰或破坏数据的传输，影响整个系统的正常运行。具体来说，GMSL 常用于视频、音频和控制信号的传输，这些信号对干扰较为敏感。静电可能通过各种途径引入到系统中，例如人体接触、设备之间的摩擦、环境中的静电积累等。

为了确保 GMSL 系统的稳定和可靠运行，采取静电保护措施是必要的。这些保护措施通常包括使用具有静电保护功能的芯片比如ESD二极管，如上图D1，D2，D3，D4。有的芯片内部有ESD保护，比如MAX96705就具有±8kV 接触放电 ESD 保护和±15kV 气隙放电保护，但这个量级的保护没有达到您的要求，所以需要外部增加一颗，文章后面的列表中列出的上海雷卯几款抗静电能力较强的ESD二极管，抗静电能力都高于芯片内部。有了外部ESD二极管的保护从而提升了系统的抗静电干扰能力，保证在存在一定静电环境的情况下，GMSL 设备仍能正常工作，可靠地传输数据

2. ESD二极管的放置位置。

按一般常理来说ESD二极管应该放置在连接器的接口处，但对于GMSL-POC系统ESD二极管放在靠近Serializer/Deserializer芯片管脚处更为合适，为什么?

对于带有POC的GMSL系统 ,如果POC 供电电压是12V , ESD二极管的击穿电压必须高压12V ，POC才能正常工作，否则一上电ESD二极管处于击穿状态，POC无法正常供电。但如果所选二极管击穿电压高于12V , 当低于12V的静电引入后，Serializer/Deserializer芯片管脚容易被打坏，无法做到很好保护，因此把ESD二极管放在Serializer/Deserializer芯片管脚处是比较合适的。如果GMSL不使用POC , 可以选择把ESD二极管放在接口处。

我们根据所选Serializer/Deserializer管脚电平，选择合适的ESD二极管做保护。

3. 上海雷卯推出的几款GMSL 静电保护二极管