TPD5S115：HDMI接口的理想伴侣芯片

在当今的电子设备中，HDMI接口已成为高清音视频传输的标准配置。为了确保HDMI接口的稳定运行，需要一款功能强大的伴侣芯片来提供电源管理、电平转换和ESD保护等功能。德州仪器（TI）的TPD5S115就是这样一款优秀的芯片，本文将为大家详细介绍TPD5S115的特点、应用和设计要点。

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一、TPD5S115概述

TPD5S115是一款集成式HDMI伴侣芯片，能够满足HDMI 2.0、1.4和1.3标准的需求。它内置了升压DC - DC转换器、电平转换器和ESD钳位电路，为HDMI接口提供了全面的解决方案。其主要特点包括：

1. 无需外部组件即可通过HDMI合规测试：该芯片可提供稳定的5V输出（5VOUT），为HDMI电源线供电，最大输出电流可达55mA，并具备限流功能。
2. 支持多种HDMI标准：兼容HDMI 2.0、1.4和1.3标准，具有广泛的应用范围。
3. 高效的电源管理：能够从低至2.3V的电池电压中产生5V电压，并且采用了两级使能方案，可实现优化的功耗管理，适用于便携式应用。
4. 强大的ESD保护：符合IEC 61000 - 4 - 2（Level 4）系统级ESD标准，为设备提供可靠的静电防护。
5. 自动方向感应和电平转换：在CEC、SDA和SCL路径上具备自动方向感应、电平转换和缓冲功能，确保信号的准确传输。

二、芯片特性详解

2.1 引脚配置与功能

TPD5S115采用16引脚的DSBGA（YFF）封装，尺寸仅为1.72mm x 1.72mm，引脚虽小但功能强大。以下是一些关键引脚的功能介绍：

• 5VOUT（C1）：DC - DC输出引脚，可向HDMI接收器提供55mA的稳压电流。在低功耗模式下，可通过EN引脚禁用DC - DC转换器。
• EN（C3）：DC - DC使能引脚，当EN为高电平时，启用DC - DC转换器和热插拔检测（HPD）电路。
• LS_OE（B3）：电平转换器使能引脚，当EN和LS_OE均为高电平时，启用电平转换器和LDO。
• HPD_A（B4）和HPD_B（A3）：分别为系统侧和HDMI侧的热插拔检测引脚，用于检测HDMI设备的连接状态。

2.2 规格参数

1. 绝对最大额定值：规定了芯片在不同情况下能够承受的最大电压、电流和温度等参数，超出这些值可能会对芯片造成永久性损坏。例如，VBAT引脚的电压范围为 - 0.3V至6V。
2. ESD额定值：TPD5S115具有出色的ESD保护能力，不同引脚的ESD耐受电压不同。如大部分引脚的人体模型（HBM）ESD耐受电压为500V，部分引脚可达2000V。
3. 推荐工作条件：给出了芯片正常工作时的电压、温度等条件范围。例如，VCCA的推荐电压范围为1.2V至3.6V，VBAT为2.3V至5.5V。
4. 电气特性：包括输出电压、电流、功耗、输入输出电容等参数。例如，DC - DC转换器的输出电压范围为4.9V至5.13V，典型值为5V。

2.3 详细功能描述

1. 上升时间加速器：在DDC线的HDMI电缆侧集成了上升时间加速器，可支持HDMI电缆侧的高容性负载，提升信号的上升速度。
2. 热插拔检测（HPD）：通过EN引脚启用DC - DC转换器和HPD模块后，芯片可持续检测HDMI接收器的连接状态。当HDMI电缆连接接收和发送设备时，DC - DC输出的5V信号通过接收设备的内部电阻流入HPD输入，使HPD缓冲器输出高电平，通知发送设备有接收设备连接。
3. CEC电平转换操作：CEC电平转换功能与DDC线类似，但CEC线不需要上升时间加速器功能。
4. 上拉电阻：系统设计为在DDC、CEC和HPD线上无需外部上拉电阻即可正常工作。
5. 欠压锁定：欠压锁定电路可防止DC - DC转换器在低输入电压下出现故障，并避免电池过度放电。当输入电压下降到欠压锁定阈值（典型值为2V）时，转换器输出级将被禁用；当输入电压上升到2.1V（典型值）时，设备重新开始工作。
6. 软启动：DC - DC转换器内置软启动电路，控制输出电压的上升斜率。在EN引脚拉高后，输出电压通常在250µs内达到标称值，从5%上升到标称值的时间约为300µs，可限制启动时的浪涌电流。

三、应用场景与设计要点

3.1 应用场景

TPD5S115适用于多种需要HDMI接口的设备，如机顶盒、电视、智能手机、数码摄像机、便携式游戏机和数码相机等。

3.2 典型应用设计

3.2.1 DDC或CEC电平转换器

TPD5S115可实现从VCCA（系统侧）电压电平到5V（HDMI电缆侧）电压电平的DDC转换，而不会降低系统性能。设计时需要注意以下几点：

• 设计要求：明确输入参数，如5VOUT的直流电流为55mA，CEC_A、HPD_A、SCL_A、SDA_A的电压电平为VCCA等。
• 详细设计步骤
  • 输入电容：由于升压转换器的输入电流具有脉动性，需要使用低ESR的输入电容，以防止大的电压瞬变。TI建议使用1.2µF（最小）的输入电容，并在VIN和GND引脚附近放置4.7µF的陶瓷电容，以改善调节器的瞬态性能和整个电源电路的EMI性能。
  • 输出电容：可使用公式$C{min}=frac{I{OUT} times (V{OUT}-V{IN})}{f times Delta V times V_{OUT}}$估算推荐的最小输出电容值。为了保持控制环路的稳定性，应选择电容值在计算最小值范围内的电容，且无最小ESR要求，输出电容值无上限，较大的电容可降低输出电压纹波和负载瞬变时的电压降。
  • 应用曲线：通过观察DDC电平转换器在B到A方向的操作曲线，可进一步优化设计。

3.2.2 其他应用电路

对于不同的HDMI控制器，TPD5S115有不同的应用方式。例如，有些HDMI控制器只有一个GPIO来控制HDMI接口，此时可将HPD_A和LS_OE引脚连接在一起；而有些控制器有两个GPIOs，则可实现更灵活的节能模式，通过LS_OE和EN引脚的不同组合来控制芯片的功耗。

3.3 电源供应与布局建议

1. 电源供应：为确保TPD5S115正常工作，VBAT和VCCA必须在推荐的工作范围内。具体的电源供应建议可参考详细设计步骤。
2. 布局指南
   • 将TPD5S115尽可能靠近连接器放置，以便在ESD冲击能量到达系统板内部电路之前将其消除。
   • 将电源线电容和电感靠近引脚放置，并使用宽走线，以减少走线寄生效应，确保足够的电流通过。
   • 确保GND焊盘有足够的金属化，以提供安全的ESD能量放电路径。

四、总结

TPD5S115作为一款高性能的HDMI伴侣芯片，凭借其丰富的功能、出色的ESD保护和高效的电源管理能力，为HDMI接口的设计提供了可靠的解决方案。在实际应用中，电子工程师们需要根据具体的设计需求，合理选择芯片的工作参数和外部元件，同时注意布局和电源供应等方面的要求，以充分发挥TPD5S115的优势，设计出稳定可靠的HDMI接口电路。大家在使用TPD5S115的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区交流分享。