高清数字内容过去只能承载于物理磁盘上,需要专用设备才可以播放;而今,宽带连接无处不在,高清数字内容可以从“云”端中以“流”的形式传送和定制到计算机、智能手机或任何其它连网设备上。传统电视是一种独立的终端,只能接收广播电视节目,由于它不具备我们习惯使用的联网功能,最终会成为过时的产品。因此,智能电视产业应运而生。
 
智能电视是指集成了互联网功能的电视机,它能提供比当今普通电视机更高级的计算能力和联网功能。为了获得更高性能,智能电视通常都采用最新一代的技术。随着更小更先进的集成电路不断促进电视机的发展,电磁兼容(EMC)领域将出现新的挑战,因为这些高速信号接口在正常使用条件下会受到静电和电缆放电事件的威胁。
 
本文将针对智能电视上两个最常见和最敏感的接口:HDMI千兆以太网接口提供保护方案。
 
HDMI 的 ESD/CDE 保护
自从推出以来,HDMI(高清晰多媒体接口)已逐渐得到普及。消费电子领域广泛采用该接口进行高清数字内容的传输。不过,作为一种高性能接口,HDMI 对于来自热插拔的电缆放电以及来自用户的直接静电放电(ESD)都极度敏感。
 
为确保其正常的功能,基于 HDMI 的系统必须保护所有可能暴露的接口信号与电源引脚,以符合或超出 IEC 61000-4-2,Level 4(±15kV 空气放电,±8kV 接触放电)的 EOS(过度电性应力)规范要求,而不致损坏。目前 HDMI 芯片工作在 2.25Gbps,不久将达到 3.4Gbps。在如此高的数据传输速率下,对信号完整性与阻抗要求的关注将远远超过 HDMI 一致性测试规范(CTS)。该规范要求所有 HDMI 接收设备都需将高速线路的差分阻抗保持在 100Ω±15%。
 
在 3.4Gbps 的数据传输速率下,如何在不增加额外电容负载的条件下提供低箝位电压保护非常关键。为有效抑制瞬态浪涌对低箝位电压的冲击,TVS 二极管中需要更多的硅片面积。但增加硅片面积将以电容增大为代价。通过在处理浪涌的 TVS 二极管周围构建一个小电容二极管阵列,就可以解决这个两难的问题。这种方法能有效降低保护电路的总电容,同时保持强大的浪涌保护能力。升特(Semtech)公司首创了采用这种架构的高级集成式 TVS 器件,无需付出高电容的代价就能获得良好的保护。
 
 
RClamp0584J 是这种集成式 TVS 保护器件的一个最佳实例(图 1)。该器件是 RailClamp 系列高速接口保护产品的最新成员。这种四线、5V 工作电压保护器件的性能超出了 IEC 6100-4-2 level 4 对静电瞬变的保护要求。图 1 同时也明确显示,这款器件采用了独特的封装设计。“穿通型(Flow through)”封装一词来自升特公司,这种封装允许走线直接穿过保护器件,因此最大限度地减小了由于平衡差分线对的中断或失配所导致的额外寄生电感与电容。
 
 
给 HDMI 接口增加 ESD 保护时,必须保证确保器件对信号完整性的影响最小。眼图测试可以显示源接口上的任何信号失真,眼图可采用围绕 HDMI 眼罩构成一个“开放”眼的位模式,这种干净的眼图能够验证良好的信号完整性。图 2 给出了眼图测试的一个例子。作为参考基准,左图是没有任何保护的 HDMI 视频信号,右图则是增加了 TVS 保护器件后的 HDMI 接口信号。可以看出 RClamp0584J 对眼图的信号完整性影响非常小。
 
千兆以太网的浪涌保护
典型智能电视与传统电视的主要区别是通过以太网接入互联网的联网功能。千兆以太网已广泛应用于新型智能电视。它工作在 125MHz 频率,用四对双绞线进行收发(全双工)。它采用一种双向的五级编码机制,该机制需要一个复杂的 PHY 芯片组。最新的以太网 PHY 芯片组一般都采用 65nm 或 45nm 工艺制作。这些更小的技术节点可实现更高的性能,但也增加了对带电电缆、闪电或“人体”静电所引起致命破坏的敏感性。
 
过去,ESD 和 CDE 一直是计算机或消费电子产品中以太网接口的最典型瞬变威胁。闪电或浪涌保护主要用于通信基础设施。近年来,由于技术的进步,计算机与消费电子产品越来越便宜。当全球大多数人都能拥有自己的计算机或电视机,这些电器产品被带入一个需考虑瞬变威胁的不利环境中。中国现已强制要求销往某些农村地区的电子产品应具备以太网浪涌保护功能。新标准可确保昂贵的产品具有合理的使用寿命,以及使用该产品的家庭的安全性。中国的浪涌测试采用金属性保护(线间)或纵向保护(线至地)波形。波形被定义为具有 10μs 的上升时间和 700μs 的衰减时间,客户定义的开路电压不低于 1kV。正、负极性的浪涌都要进行测试。要达到合格标准,设备必须在浪涌测试后仍然能够继续工作。
 
 
以太网端口包括变压器以及共模扼流圈,用于将 PHY 连接至外部世界。变压器与扼流圈都可以是分立器件,但集成方案(包含 RJ-45 接口、电阻和电容)正变得日益普及。在任何情况下,变压器都将提供对外部电压的高水平共模隔离,但不提供线间浪涌保护。对于线间(线与线)浪涌,电流将流入一根导线,穿过变压器再返回至源头。电流流过时会给线端(RJ-45 端)的变压器绕组充电。一旦浪涌消失,线端绕组将停止充电,并将其存储的能量传送给 PHY 芯片所在的芯片端。传送到 PHY 端的脉冲信号很可能会损坏 PHY 芯片。
 
实现以太网收发器的可靠保护需要采用一组外部保护器件,它可以吸收预期的瞬变能量,将进入的浪涌快速地降低到安全电平,但在正常工作情况下对系统没有影响。为保证差分线对的信号完整性,必须对电容性负载与封装进行优化。另外,每个最新以太网部署都会用到更高密度的电路板,因而要求保护方案占用更小的电路板空间。
 
升特公司的最新以太网保护方案 RClamp2574N 可满足并超过所有上述要求。建议将其放置于变压器的 PHY 端,尽可能靠近磁体。RClamp2574N 可配置为保护一个千兆以太网的全部四对差分线对。如图 3 所示,八个 I/O 引脚中的每一个都有一个低电容的控向二极管对,该器件用来将有害的浪涌电流引入内部的低压 TVS 二极管。控向二极管的工作电压仅有 2.5V,采用升特公司专利的 EPD 工艺技术制造。低压导通是一个很重要的保护参数,因为很多 PHY 芯片都集成了 ESD 保护结构。这些结构并非针对承受很大的电能而设计。如果它们在外部保护实现之前导通,则可能导致 PHY 芯片故障。典型千兆以太网 PHY 的工作电压为 2.5V,因此应选用 2.5V 的 TVS,因为一旦器件中的有害电压超过了保护器件的穿通电压,2.5V 的 TVS 会立即导通,从而有效地保护 PHY 芯片。
 
 
图 4 显示了 RClamp2574N 的流通型 PCB 走线。信号线连接到第 1、2、4、5、6、7、9 和 10 脚。第 3 脚与 8 脚连接到三个中心接地。在一个典型以太网应用中,这些引脚以及接地都应悬空(即不接地)。在本例中,走线宽度为 0.005 英寸。过孔用于第 6、7、9 和 10 脚的换层连接,这样所有八根信号线都可采用易于实现的流通型(flow though)布局。
 
另外,RClamp2574N 的线间典型电容为 1.7pF,这个值足够小,可避免任何数据包丢失或错误。
 
本文小结
智能电视采用的最新技术也带来了独特的静电保护问题。良好的瞬变抑制要求有最先进的保护机制,能将瞬变电压降低到一个安全水平,同时保持系统信号的完整性。尽早选择正确的保护方案可以防止在设计后期出现瞬变电压威胁,消除了重新进行设计布局所花费的不必要时间,从而在竞争激烈的消费电子领域实现产品快速上市。