HDMI接口的PCB設計

 

　　一、定義

　　HDMI的全稱是「HighDefinitionMultimedia」，即：高清多媒體接口。

　　HDMI在引腳上和DVI兼容，只是採用了不一樣的封裝。與DVI相比。HDMI能夠傳輸數字音頻信號，並增長了對HDCP的支持，同時提供了更好的DDC可選功能。HDMI最遠可傳輸15米，足以應付一個1080p的視頻和一個8聲道的音頻信號。HDM1支持EDID、DDC2B，所以HDMI的設備具備「即插即用」的特色，信號源和顯示設備之間會自動進行「協商」，自動選擇最合適的視頻倍頻格式。一對時鐘差分，三對數據傳輸差分。

　　二、走線設計要求

　　儘量使HDMI鏈接器和器件之間的電氣長度保持最短，從而使衰減最小化。

　　爲了使差分信號正常傳輸，一個差分對的兩走線間距必須在整個走線軌跡上上保持一致。不然，間距變化就會引發磁場耦合不平衡，從而下降磁場消除的效果，形成EMI增長。推薦線寬間距比爲1:1《W:S《1：2。

　　由於不一樣電氣長度的走線會引發信號之間的相移，也會致使嚴重EMI，理想狀況下，四對差分走線走線長度應該相等，保證信號傳輸的時序匹配。下圖顯示了相等及不一樣長度走線的邏輯狀態。

　　四隊差分走線對內偏差最好作到5mil範圍以內，對與對的差分偏差最好控制在10mil範圍以內。同時，對與對之間的間距要求作到15mil，空間准許的狀況下儘可能拉開，減少串擾。

　　等長修正方式：

　　a、在差分走線終點不匹配的地方進行繞線。

　　b、差分等長繞線Gap寬度知足4W，A的長度爲線寬的3倍。

　　鄰近GND層走線，空間足夠的狀況下進行包地處理。包地線離差分線間距知足差分線寬的3倍（中心到中心），鋪銅離差分線20mil。

　　信號換層的過孔附近放置一些接地的過孔，以便爲信號提供最近的迴路。

　　三、阻抗設計要求

　　差分阻抗控制爲100歐姆（+/-10%），單端走線控制50歐姆。

　　PCB設計的目的在於儘量將非連續性阻抗最小化，從而消除反射並保持信號完整。剩下的不可避免的非連續性應集中在一塊兒，也就是說將這一區域的面積應保持較小，並儘量的緊密放置。這一想法就是將各個反射點集中在某個區域，而不是將其分佈在整個信號路徑裏（具體可見等長修正方式）。

　　可能發生非連續性的位置爲：

　　A、HDMI鏈接器焊盤同信號線跡相遇處；

　　B、信號線跡碰到過孔、電阻器組件盤或IC引腳處；

　　C、信號對被分離以圍繞一個物體佈線的地方；

　　信號線的匹配電阻起防ESD做用和微調阻抗用途，一般靠近插座放置，可是兩個電阻必須是並排放置，不要一前一後。

　　使用堅實的電源層和接地層來實現100Ω阻抗控制，以及電源噪聲最小化。即差分走線下面應該是完整的參考平面，儘可能避免跨分割的狀況出現。

　　儘量使用尺寸最小的信號線過孔和HDMI鏈接器焊盤，由於其對100差動阻抗產生的影響較小。較大的過孔和焊盤可能會致使阻抗降低。推薦使用過孔8mil/16mil，或者8mil/18mil。

　　四、ESD處理

　　ESD器件必定要靠近HDMI的端子放置。但也不要放置太近，考慮工藝要求，避免在焊接HDMI座子的時候容易形成HDMI焊盤與ESD器件焊盤連錫的狀況。間距爲一個烙鐵頭的厚度便可。

　　HDMI接口的4層PCB板佈線指南

　　1、聚酯膠片PCB的選擇

　　儘管對於PC主板來講，高精度的2116材質FR4的4層PCB是主流，可是若是須要進行精確的阻抗控制，則其費用也是不菲的。於是對於HDMI應用來講，不推薦採用此板材，取而代之的是採用中等精度的1080+2116板材或者是低精度的2116+7628板材。對於不一樣的板材，走線寬帶和間距必須作出相應的調整，使其作的阻抗匹配，下面列出了PCB疊層相關的尺寸。

　　表1：推薦的PCB聚酯膠片板材

　　一般，PCB廠家可以將線寬和線距控制在±1-mil，然而對於HDMI鏈接器、IC器件等附近區域，最好可以控制在±0.5mil，以減小偏移。

　　2、推薦走線長度

　　爲了防止信號反射，信號線的長度不容許超過下面兩個約束條件所計算出的走線長度。

　　1.小於信號波長（λ）的1/16，信號波長與信號頻率之間的關係由如下公式來肯定。

　　這裏εR=4.3~4.7，對於FR4材質μR~1

　　好比，對於運行於FR4板材，信號頻率爲1.25GHz，其走線長度計算結果以下：

　　推薦長度《（1/16）λ=「」？=「」280=「」》

　　2.信號上升沿的1/3長度，其長度l定義爲

　　這裏l爲信號上升沿的長度，單位inchTr爲信號上升沿時間，單位ps

　　D爲信號延時，單位爲ps/inch

　　對於FR4板材，其延時爲180ps/inch，對於HDMI信號，Tr爲200ps，其計算結果不能超過370mil，即：

　　若是信號線太長的話，那麼最好將線寬和線距加大，之後線寬和線距加大後，其阻抗連續性更容易控制。詳細的線寬和線距的選擇請參考表1.

　　3、微帶線Stub效應

　　stub將會給PCB走線增長電抗，而且減小走線的阻抗，對於HDMI走線，存在任何的stub都是不完美的。若是一個openstub是1/2波長，則其就等效於走線上的一個對地電容。而若是shortstub是1/2波長，其相對於在一個走線上加上一個電感。

　　若是stub是不可避免的話，那麼必須將其控制在信號上升沿的1/6。經驗告訴咱們，對於200-ps的HDMI信號，stub的長度不容許超過1/6×200ps=33ps。

　　4、焊盤和過孔相關補償

　　焊盤和過孔每每形成走線的不連續性，其結果使得走線阻抗下降。在器件下面的低平面挖出適當的孔，其有助於減小焊盤或過孔與地平面之間的電容，從而有利於補償走線的阻抗損失。挖出空白尺寸的大小參考Section（A）裏面的（i）-（iv）。

　　HDMI鏈接器焊盤之間也許會相互影響，爲了達到相應的阻抗，並創建合理的信號路徑，其參考平面，HDMI鏈接器推薦的地平面如Section（A）裏面的（v）。Section（B）是推薦的案例。

　　Section（A）：地平面推薦的挖空尺寸

　　下面的案例基於1080+2116的聚酯膠片，差分線線寬爲8.0mil，線距爲9.3mil。其相關地平面的挖空尺寸以下。

　　（i）ESD或者上拉0603電阻焊盤下面挖空狀況

　　圖3.ESD或者上拉0603電阻焊盤下面挖空狀況

　　（ii）ESD或者上拉0402電阻焊盤下面挖空狀況

　　圖4.ESD或者上拉0402電阻焊盤下面挖空狀況

　　（iii）HDMI相關器件下面挖空狀況

　　圖5.HDMI相關器件下面挖空狀況

　　（iv）過孔下面挖空狀況

　　圖6.過孔下面挖空狀況

　　（v）HDMI鏈接器下面的挖空狀況

　　圖7.HDMI鏈接器下面的挖空狀況

　　Section（B）：PCB相關區域約束狀況

　　在實際狀況下，在走線時是須要考慮PCB的空間問題的，因此在鏈接ESD器件和上拉電阻時，須要用到過孔和stubs，且須要在底層走線。下面的參考案例裏面，包含了ESD器件、過孔和上拉電阻。

　　圖8.帶有ESD器件、過孔和上拉電阻的PCB走線狀況

　　5、建議走線

　　1.儘量的將過孔靠近HDMI鏈接器放置

　　當信號從HDMI鏈接器到HDMI焊盤時，因爲電氣上的改變，使得阻抗相應的增長，這種阻抗的增長恰好能夠補償HDMI邊上過孔說形成的阻抗損失。因爲過孔太靠近HDMI鏈接器，這將使得HDMI鏈接器周圍沒有足夠的空間去走100Ω的差分線，這是將用50Ω的單端走線來代替，當必須保證此單端線足夠的短。移除HDMI信號和時鐘焊盤下面的地平面。

　　2.儘量的採用小封裝的上拉電阻和ESD器件

　　0402封裝與0603封裝相比，具備更小的焊盤，使其在阻抗上具備更小的損耗。

　　3.採用9mil線寬和11mil線距的差分走線若是走線夠寬，則其阻抗更好的控制。

　　4.採用儘量短的stubs

　　ESD保護器件、過孔和上拉電阻之間的stub儘量的短，不能超過信號上升沿的1/6。

　　5.移除電阻焊盤和過孔下面的地平面此挖掉的孔必需要足夠大，確保可以覆蓋ESD器件焊盤、過孔和上拉電阻焊盤和全部的HDMI鏈接器上信號焊盤。其參考以下圖9。

　　圖9.ESD器件、過孔和上拉電阻下面的地平面