HDMI接口芯片失效原因分析和HDMI接口芯片改善措施与选型

HDMI接口芯片失效原因分析和改善措施

 

 

HDMI，全称 High Definition Multimedia Interface， 即高清多媒体接口。自问世以来，HDMI 历经了多次版本的更新迭代。从最初的 HDMI 1.0 到如今的 HDMI 2.1，每一次更新都为用户带来了更高的带宽、更多丰富的功能以及更出色的兼容性。在2025年的CES（消费电子展）展会上，HDMI Forum, Inc（亦可称为HDMI论坛或HDMI管理委员会）正式对外宣布，即将推出HDMI标准的2.2版（图1）。这一全新的HDMI 2.2标准的推出，标志着HDMI技术的又一次重大进步。

随着4K/8K超高清视频传输需求的增长，HDMI接口作为主流数字音视频传输接口，其可靠性面临严峻挑战。据统计，消费电子领域约35%的HDMI接口故障由静电放电（ESD）和浪涌冲击引起，这类电气过应力（EOS）损坏直接影响设备使用寿命和用户体验。

图1.2025年推出HDMI2.2标准 

浪涌来自于哪里？

1. 用户市电环境瞬态脉冲的耦合能量能量，会通电源间的LDO和DC-DC芯片传导到下一级电路（MCU/IC）

2. 设备开关电源Y电容的设计不同，设备间电源GND与GND存在的压差，带电状态下的插拔引起的瞬态电流泄放。

在项目研发测试验证阶段，EMC环境测试是必不可少的，大多产品都满足ESD和电源的浪涌的整机测试；但对于信号线的浪涌没有引起重视，海外厂商针对HDMI/DP/USB信号的浪涌测试有厂内的测试电压要求，目前国内厂商也逐步跟进。从IEC61000-4-5标准（图2）电压波形和电流波形持续时间看，电压波形和电流波形均为us级别，泄放能量远大于ns级别的ESD能量，从损坏现象EOS也更容易观察到。

图2.IEC6100-4-5 电流电压测试波形

ESD器件选型中，需要注意哪些参数？

响应时间

正常工作状态浪涌保护器件是不会动作的，当外界瞬态脉冲达到保护器件的触发电压才会开启。所以，响应时间越长，电子设备暴露在电压尖峰下的时间就越长，IC的风险越高。不同的芯片结构界面设计，其响应时间更会略有差异，理想的响应时间小于1ns。

箝位电压

箝位电压是保护器件将电流泄放后两端的压降，钳位电压越低，对下一级芯片或电路的保护水平越好。你会发现市面上压敏电阻或高分子材料的TVS的箝位电压多达几十V，而半导体制程的保护器件电压会更接近受保护信号的最大电压，能起到更好的保护效果。

能量吸收/耗散

可以理解为保护器件能吸收到多少的浪涌能量，Ipp是检验ESD保护器件通流能力的重要参数。Ipp数字越高，说明器件能吸收瞬态电流的能力越强。

寄生电容

在HDMI/DP/USB相对高速率的应用中，寄生在PCB上或电子元件上的电容值越大，对于信号的上升沿和下降沿延时越高，在信号分析仪测试眼图时会有信号质量风险。不同速率条件下对保护器件的寄生参数要求也不同，所以选型中要特别关注。

TDR阻抗测试

TDR测试目前主要使用于PCB(印制电路板)信号线、以及器件阻抗的测试，比如单端信号线，差分信号线，连接器线缆等。HDMI差分阻抗控制要求100Ω±10%，设计中要求ESD器件对阻抗影响越小越好，TDR评估ESD保护器件在插入PCB中对阻抗，是对信号要求的一个重要指标，HDMI器件通常选用贯穿式的封装（图3：DFN2510-10L贯穿layout图）以减小因PCB布局带来的阻抗突变。

图3：DFN2510-10L贯穿layout图

扬杰推出了针对信号线高浪涌防护能力的ESD器件，适用于客户的不同测试要求，应用此方案以降低HDMI接口芯片失效问题，同时减少客户返修的带来的品质问题。表1给出 了HDMI接口防护方案参数和浪涌能力评估结果。

表1：HDMI应用ESD+浪涌防护方案

总结：浪涌测试有助于确保系统的弹性和可靠性。通过对系统进行浪涌测试，您可以识别和减轻终端系统中可能导致电压尖峰或电涌期间故障的潜在漏洞或弱点。

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