探索TMDS351：2.5 Gbps 3 - TO - 1 DVI/HDMI开关的卓越性能与应用

在数字视频接口领域，德州仪器（TI）的TMDS351是一款备受关注的3 - 端口数字视频接口（DVI）或高清多媒体接口（HDMI）开关。今天，我们就来深入探讨一下TMDS351的特点、应用以及设计中的一些关键要点。

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一、TMDS351的主要特性

电源供应

• TMDS I/O电源：TMDS I/O采用3.3V固定电源供电，确保了与HDMI 1.3a的兼容性。
• 其他电路电源：HPD、DDC和源选择电路则由5V固定电源供电，为这些重要电路提供稳定的电力支持。

信号处理能力

• 高带宽支持：支持2.5 Gbps的信号传输速率，能够实现480i/p、720i/p和1080i/p分辨率，最高可达12位色彩深度，满足了高清视频传输的需求。
• 低信号偏差：内部的信号处理电路保证了极低的内部和外部信号偏差，其中内部对偏差小于40ps，外部对偏差小于65ps，确保了图像的清晰和稳定。

封装与环保特性

• 封装形式：采用64引脚的TQFP封装，便于在电路板上进行布局和焊接。
• 环保标准：符合ROHS标准，并且能够承受260°C的回流焊温度，适应环保和工业生产的要求。

其他特性

• 集成接收器终端：每个TMDS接收器输入都集成了上拉至VCC的50Ω终端电阻，无需外部终端电阻，简化了电路设计。
• 可选择的接收器均衡：提供了两种级别的接收器输入均衡，以适应不同长度的输入电缆，确保信号的质量。

二、TMDS351的应用场景

TMDS351的高性能使其在多种数字视频设备中得到广泛应用，主要包括数字电视和数字投影仪等。在这些设备中，它可以实现多个DVI或HDMI端口的切换，为用户提供更多的信号输入选择。

三、TMDS351的详细工作原理

端口切换功能

TMDS351允许最多3个DVI或HDMI端口切换到单个显示终端。每个端口支持四个TMDS通道、一个热插拔检测器和一个数字显示控制（DDC）接口。通过控制引脚S1和S2的不同电平组合，可以实现不同端口的选择和特定功能的开启。例如，当S1为高电平且S2为低电平时，所有输入终端断开，TMDS输入呈高阻抗状态，内部MOSFET关闭以禁用DDC链接，所有HPD输出连接到HPD_SINK，从而启动HDMI物理地址发现过程。

信号处理与均衡

• 终端电阻：内部集成的50Ω终端电阻确保了信号的匹配和稳定传输。同时，通过从VSADJ引脚外部连接一个精密电阻到地，可以设置差分输出电压，使其符合TMDS标准。
• 接收器均衡：每个TMDS接收器都拥有频率响应均衡电路，提供两种级别的输入均衡，以适应不同长度的电缆。当EQ设置为低电平时，接收器适用于符合HDMI 1.3标准的电缆；当EQ设置为高电平时，适用于10米长的28 AWG HDMI电缆。

四、设计中的关键注意事项

电源供应设计

• TMDS电路电源：为TMDS电路和输出终端电压提供相同的3.3V电源，有助于减少ESD保护电路的泄漏电流。在数字电视处于待机模式时，统一控制3.3V电源的开关，可以进一步降低设备和接收器的泄漏电流。
• 备用电源：5V的备用电源VDD为HPD、DDC和大部分控制逻辑供电，确保在待机模式下这些电路仍能正常工作。

TMDS输入设计

• 输入均衡：利用可选择的频率响应均衡电路，支持短距离和长距离电缆连接。根据不同的电缆长度，合理设置EQ引脚的电平，以获得最佳的信号质量。
• 输入故障保护：由于TMDS输入没有内置故障保护电路，为了防止输出振荡，可以通过外部偏置输入引脚。例如，将一个引脚通过1kΩ电阻上拉至VCC，另一个引脚接地。

TMDS输出设计

• 输出摆动控制：推荐使用4.02kΩ的10%精密电阻来控制输出摆动，使其符合HDMI标准的400mV至600mV范围（典型值为500mV）。
• 待机模式：在待机模式下（S1为高电平且S2为低电平），TMDS输出呈高阻抗状态，减少了不必要的功耗。

HPD和DDC设计

• HPD引脚：HPD电路由5V电源供电，输出5V TTL信号，典型输出电阻为1kΩ，无需外部1kΩ电阻。选中源端口的HPD输出跟随HPD_SINK输入的逻辑电平，未选中的HPD输出保持低电平。在待机模式下，所有HPD输出跟随HPD_SINK。
• DDC通道：DDC电路由5V电源供电，I/O引脚可直接连接到5V终端电压。推荐在SCL1、SCL2和SCL3引脚上使用47kΩ上拉电阻到5V，SDA引脚则不需要上拉电阻。

布局设计

• 高速差分信号：TMDS的高速差分输入是设计中的关键路径，需要保持100Ω的差分传输线阻抗，确保信号的稳定传输。
• 接地平面：在高速I/O下方保持不间断的接地平面，减少信号干扰。
• 信号路径：尽量缩短连接器和设备之间的TMDS信号走线长度，降低信号损耗。

五、TMDS351在不同CEC链接需求系统中的应用

支持被动CEC链接的DTV

在这种情况下，DTV本身不具备处理CEC信号的能力，但允许CEC信号通过CEC总线。源选择由DTV的控制命令完成，用户无法通过CEC总线上的音频/视频产品强制发出命令。选中的源在接收到断言的HPD信号后读取E - EDID数据，微控制器通过S1和S2引脚在切换源时加载不同的CEC物理地址。

支持主动CEC链接的DTV

• CEC功能要求：所有源必须有自己的CEC物理地址，以支持CEC链接的完整功能。源在接收到HPD反馈的逻辑高电平时，读取其E - EDID内存中存储的CEC物理地址。当HPD为高电平时，保持分配给接收器的CEC物理地址；当HPD为低电平时，源将CEC物理地址值设置为(F.F.F.F)。
• 不同耦合方式的源处理
  • 交流耦合源：当源的TMDS线为交流耦合或无法检测到接收器提供的TMDS终端时，源选择的指示只能来自HPD信号，此时TMDS351的HPD1引脚应直接作为HPD信号反馈给源。
  • 直流耦合源：有两种方法通知源它是接收器的活动源，一是检查来自接收器的HPD信号，二是检查接收器中的终端条件。在全CEC操作模式下，HPD信号为高电平，无论端口是否被选中，源都会加载并保持CEC物理地址。

待机模式下的E - EDID读取配置

• 默认情况：在DTV系统处于待机模式时，由于1kΩ下拉电阻使HPD_SINK输入保持逻辑低电平，所有HPD引脚输出逻辑低电平，源不会读取E - EDID数据。
• 特殊需求配置：如果需要在系统待机模式下读取E - EDID数据，可以按照以下步骤操作：首先，为TMDS351的VCC和HDMI接收器的TMDS线终端提供相同的3.3V电源；然后，关闭VCC，保持VDD开启，此时TMDS电路关闭，但HPD、DDC和源选择电路仍然活跃；最后，设置S1和S2选择允许读取E - EDID内存的源端口。

六、总结

TMDS351作为一款高性能的DVI/HDMI开关，凭借其丰富的功能和出色的性能，在数字视频设备领域具有广泛的应用前景。在设计过程中，充分考虑其工作原理和各种特性，合理进行电路设计和布局，可以确保设备的稳定运行和高质量的视频传输。希望通过本文的介绍，能为电子工程师们在使用TMDS351进行设计时提供一些有价值的参考。大家在实际应用中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区交流分享。