1、定义

  HDMI的全称是“HighDefinitionMultimedia”,即:高清多媒体接口。

  HDMI在引脚上和DVI兼容,只是采用了不同的封装。与DVI相比。HDMI可以传输数字音频信号,并增加了对HDCP的支持,同时提供了更好的DDC可选功能。HDMI最远可传输15米,足以应付一个1080p的视频和一个8声道的音频信号。HDM1支持EDID、DDC2B,因此HDMI的设备具有“即插即用”的特点,信号源和显示设备之间会自动进行“协商”,自动选择最合适的视频倍频格式。一对时钟差分,三对数据传输差分。

  2、走线设计要求

  尽可能使HDMI连接器和器件之间的电气长度保持最短,从而使衰减最小化。

  为了使差分信号正常传输,一个差分对的两走线间距必须在整个走线轨迹上上保持一致。否则,间距变化就会引起磁场耦合不平衡,从而降低磁场消除的效果,造成EMI增加。推荐线宽间距比为1:1《W:S《1:2。

  因为不同电气长度的走线会引起信号之间的相移,也会导致严重EMI,理想情况下,四对差分走线走线长度应该相等,保证信号传输的时序匹配。下图显示了相等及不同长度走线的逻辑状态。

  四队差分走线对内误差最好做到5mil范围之内,对与对的差分误差最好控制在10mil范围之内。同时,对与对之间的间距要求做到15mil,空间准许的情况下尽量拉开,减小串扰。

  等长修正方式:

  a、在差分走线终点不匹配的地方进行绕线。

  b、差分等长绕线Gap宽度满足4W,A的长度为线宽的3倍。

  邻近GND层走线,空间足够的情况下进行包地处理。包地线离差分线间距满足差分线宽的3倍(中心到中心),铺铜离差分线20mil。

  信号换层的过孔附近放置一些接地的过孔,以便为信号提供最近的回路。

  3、阻抗设计要求

  差分阻抗控制为100欧姆(+/-10%),单端走线控制50欧姆。

  PCB设计的目的在于尽可能将非连续性阻抗最小化,从而消除反射并保持信号完整。剩下的不可避免的非连续性应集中在一起,也就是说将这一区域的面积应保持较小,并尽可能的紧密放置。这一想法就是将各个反射点集中在某个区域,而不是将其分布在整个信号路径里(具体可见等长修正方式)。

  可能发生非连续性的位置为:

  A、HDMI连接器焊盘同信号线迹相遇处;

  B、信号线迹碰到过孔、电阻器组件盘或IC引脚处;

  C、信号对被分离以围绕一个物体布线的地方;

  信号线的匹配电阻起防ESD作用和微调阻抗用途,通常靠近插座放置,但是两个电阻必须是并排放置,不要一前一后。

  使用坚实的电源层和接地层来实现100Ω阻抗控制,以及电源噪声最小化。即差分走线下面应该是完整的参考平面,尽量避免跨分割的情况出现。

  尽可能使用尺寸最小的信号线过孔和HDMI连接器焊盘,因为其对100差动阻抗产生的影响较小。较大的过孔和焊盘可能会导致阻抗下降。推荐使用过孔8mil/16mil,或者8mil/18mil。

  4、ESD处理

  ESD器件一定要靠近HDMI的端子放置。但也不要放置太近,考虑工艺要求,避免在焊接HDMI座子的时候容易造成HDMI焊盘与ESD器件焊盘连锡的情况。间距为一个烙铁头的厚度即可。

  HDMI接口的4层PCB板布线指南

  一、聚酯胶片PCB的选择

  尽管对于PC主板来说,高精度的2116材质FR4的4层PCB是主流,但是如果需要进行精确的阻抗控制,则其费用也是不菲的。因而对于HDMI应用来说,不推荐采用此板材,取而代之的是采用中等精度的1080+2116板材或者是低精度的2116+7628板材。对于不同的板材,走线宽带和间距必须做出相应的调整,使其做的阻抗匹配,下面列出了PCB叠层相关的尺寸。

  表1:推荐的PCB聚酯胶片板材

  通常,PCB厂家能够将线宽和线距控制在±1-mil,然而对于HDMI连接器、IC器件等附近区域,最好能够控制在±0.5mil,以减少偏移。

  二、推荐走线长度

  为了防止信号反射,信号线的长度不允许超过下面两个约束条件所计算出的走线长度。

  1.小于信号波长(λ)的1/16,信号波长与信号频率之间的关系由以下公式来确定。

  这里εR=4.3~4.7,对于FR4材质μR~1

  比如,对于运行于FR4板材,信号频率为1.25GHz,其走线长度计算结果如下:

  推荐长度《(1/16)λ=“”?=“”280=“”》

  2.信号上升沿的1/3长度,其长度l定义为

  这里l为信号上升沿的长度,单位inchTr为信号上升沿时间,单位ps

  D为信号延时,单位为ps/inch

  对于FR4板材,其延时为180ps/inch,对于HDMI信号,Tr为200ps,其计算结果不能超过370mil,即:

  如果信号线太长的话,那么最好将线宽和线距加大,以后线宽和线距加大后,其阻抗连续性更容易控制。详细的线宽和线距的选择请参考表1.

  三、微带线Stub效应

  stub将会给PCB走线增加电抗,并且减少走线的阻抗,对于HDMI走线,存在任何的stub都是不完美的。如果一个openstub是1/2波长,则其就等效于走线上的一个对地电容。而如果shortstub是1/2波长,其相对于在一个走线上加上一个电感。

  如果stub是不可避免的话,那么必须将其控制在信号上升沿的1/6。经验告诉我们,对于200-ps的HDMI信号,stub的长度不允许超过1/6×200ps=33ps。

  四、焊盘和过孔相关补偿

  焊盘和过孔往往造成走线的不连续性,其结果使得走线阻抗降低。在器件下面的低平面挖出适当的孔,其有助于减少焊盘或过孔与地平面之间的电容,从而有利于补偿走线的阻抗损失。挖出空白尺寸的大小参考Section(A)里面的(i)-(iv)。

  HDMI连接器焊盘之间也许会相互影响,为了达到相应的阻抗,并建立合理的信号路径,其参考平面,HDMI连接器推荐的地平面如Section(A)里面的(v)。Section(B)是推荐的案例。

  Section(A):地平面推荐的挖空尺寸

  下面的案例基于1080+2116的聚酯胶片,差分线线宽为8.0mil,线距为9.3mil。其相关地平面的挖空尺寸如下。

  (i)ESD或者上拉0603电阻焊盘下面挖空情况

  图3.ESD或者上拉0603电阻焊盘下面挖空情况

  (ii)ESD或者上拉0402电阻焊盘下面挖空情况

  图4.ESD或者上拉0402电阻焊盘下面挖空情况

  (iii)HDMI相关器件下面挖空情况

  图5.HDMI相关器件下面挖空情况

  (iv)过孔下面挖空情况

  图6.过孔下面挖空情况

  (v)HDMI连接器下面的挖空情况

  图7.HDMI连接器下面的挖空情况

  Section(B):PCB相关区域约束情况

  在实际情况下,在走线时是需要考虑PCB的空间问题的,所以在连接ESD器件和上拉电阻时,需要用到过孔和stubs,且需要在底层走线。下面的参考案例里面,包含了ESD器件、过孔和上拉电阻。

  图8.带有ESD器件、过孔和上拉电阻的PCB走线情况

  五、建议走线

  1.尽可能的将过孔靠近HDMI连接器放置

  当信号从HDMI连接器到HDMI焊盘时,由于电气上的改变,使得阻抗相应的增加,这种阻抗的增加刚好可以补偿HDMI边上过孔说造成的阻抗损失。由于过孔太靠近HDMI连接器,这将使得HDMI连接器周围没有足够的空间去走100Ω的差分线,这是将用50Ω的单端走线来代替,当必须保证此单端线足够的短。移除HDMI信号和时钟焊盘下面的地平面。

  2.尽可能的采用小封装的上拉电阻和ESD器件

  0402封装与0603封装相比,具有更小的焊盘,使其在阻抗上具有更小的损耗。

  3.采用9mil线宽和11mil线距的差分走线如果走线够宽,则其阻抗更好的控制。

  4.采用尽可能短的stubs

  ESD保护器件、过孔和上拉电阻之间的stub尽可能的短,不能超过信号上升沿的1/6。

  5.移除电阻焊盘和过孔下面的地平面此挖掉的孔必须要足够大,确保能够覆盖ESD器件焊盘、过孔和上拉电阻焊盘和所有的HDMI连接器上信号焊盘。其参考如下图9。

  图9.ESD器件、过孔和上拉电阻下面的地平面

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