智能電視的靜電保護(hù)設(shè)計方案

高清數(shù)字內(nèi)容過去只能承載于物理磁盤上，需要專用設(shè)備才可以播放；而今，寬帶連接無處不在，高清數(shù)字內(nèi)容可以從“云”端中以“流”的形式傳送和定制到計算機(jī)、智能手機(jī)或任何其它連網(wǎng)設(shè)備上。傳統(tǒng)電視是一種獨(dú)立的終端，只能接收廣播電視節(jié)目，由于它不具備我們習(xí)慣使用的聯(lián)網(wǎng)功能，最終會成為過時的產(chǎn)品。因此，智能電視產(chǎn)業(yè)應(yīng)運(yùn)而生。

智能電視是指集成了互聯(lián)網(wǎng)功能的電視機(jī)，它能提供比當(dāng)今普通電視機(jī)更高級的計算能力和聯(lián)網(wǎng)功能。為了獲得更高性能，智能電視通常都采用最新一代的技術(shù)。隨著更小更先進(jìn)的集成電路不斷促進(jìn)電視機(jī)的發(fā)展，電磁兼容（EMC）領(lǐng)域?qū)⒊霈F(xiàn)新的挑戰(zhàn)，因為這些高速信號接口在正常使用條件下會受到靜電和電纜放電事件的威脅。

本文將針對智能電視上兩個最常見和最敏感的接口：HDMI與千兆以太網(wǎng)接口提供保護(hù)方案。

HDMI的ESD/CDE保護(hù)

自從推出以來，HDMI（高清晰多媒體接口）已逐漸得到普及。消費(fèi)電子領(lǐng)域廣泛采用該接口進(jìn)行高清數(shù)字內(nèi)容的傳輸。不過，作為一種高性能接口，HDMI對于來自熱插拔的電纜放電以及來自用戶的直接靜電放電（ESD）都極度敏感。

為確保其正常的功能，基于HDMI的系統(tǒng)必須保護(hù)所有可能暴露的接口信號與電源引腳，以符合或超出IEC 61000-4-2，Level 4（±15kV空氣放電，±8kV接觸放電）的EOS（過度電性應(yīng)力）規(guī)范要求，而不致?lián)p壞。目前HDMI芯片工作在2.25Gbps，不久將達(dá)到3.4Gbps。在如此高的數(shù)據(jù)傳輸速率下，對信號完整性與阻抗要求的關(guān)注將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過HDMI一致性測試規(guī)范（CTS）。該規(guī)范要求所有HDMI接收設(shè)備都需將高速線路的差分阻抗保持在100Ω±15%。

在3.4Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速率下，如何在不增加額外電容負(fù)載的條件下提供低箝位電壓保護(hù)非常關(guān)鍵。為有效抑制瞬態(tài)浪涌對低箝位電壓的沖擊，TVS二極管中需要更多的硅片面積。但增加硅片面積將以電容增大為代價。通過在處理浪涌的TVS二極管周圍構(gòu)建一個小電容二極管陣列，就可以解決這個兩難的問題。這種方法能有效降低保護(hù)電路的總電容，同時保持強(qiáng)大的浪涌保護(hù)能力。升特（Semtech）公司首創(chuàng)了采用這種架構(gòu)的高級集成式TVS器件，無需付出高電容的代價就能獲得良好的保護(hù)。

RClamp0584J是這種集成式TVS保護(hù)器件的一個最佳實例（圖1）。該器件是RailClamp系列高速接口保護(hù)產(chǎn)品的最新成員。這種四線、5V工作電壓保護(hù)器件的性能超出了IEC 6100-4-2 level 4對靜電瞬變的保護(hù)要求。圖1同時也明確顯示，這款器件采用了獨(dú)特的封裝設(shè)計?！按┩ㄐ停‵low through）”封裝一詞來自升特公司，這種封裝允許走線直接穿過保護(hù)器件，因此最大限度地減小了由于平衡差分線對的中斷或失配所導(dǎo)致的額外寄生電感與電容。

給HDMI接口增加ESD保護(hù)時，必須保證確保器件對信號完整性的影響最小。眼圖測試可以顯示源接口上的任何信號失真，眼圖可采用圍繞HDMI眼罩構(gòu)成一個“開放”眼的位模式，這種干凈的眼圖能夠驗證良好的信號完整性。圖2給出了眼圖測試的一個例子。作為參考基準(zhǔn)，左圖是沒有任何保護(hù)的HDMI視頻信號，右圖則是增加了TVS保護(hù)器件后的HDMI接口信號?？梢钥闯鯮Clamp0584J對眼圖的信號完整性影響非常小。

千兆以太網(wǎng)的浪涌保護(hù)

典型智能電視與傳統(tǒng)電視的主要區(qū)別是通過以太網(wǎng)接入互聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)功能。千兆以太網(wǎng)已廣泛應(yīng)用于新型智能電視。它工作在125MHz頻率，用四對雙絞線進(jìn)行收發(fā)（全雙工）。它采用一種雙向的五級編碼機(jī)制，該機(jī)制需要一個復(fù)雜的PHY芯片組。最新的以太網(wǎng)PHY芯片組一般都采用65nm或45nm工藝制作。這些更小的技術(shù)節(jié)點(diǎn)可實現(xiàn)更高的性能，但也增加了對帶電電纜、閃電或“人體”靜電所引起致命破壞的敏感性。

過去，ESD和CDE一直是計算機(jī)或消費(fèi)電子產(chǎn)品中以太網(wǎng)接口的最典型瞬變威脅。閃電或浪涌保護(hù)主要用于通信基礎(chǔ)設(shè)施。近年來，由于技術(shù)的進(jìn)步，計算機(jī)與消費(fèi)電子產(chǎn)品越來越便宜。當(dāng)全球大多數(shù)人都能擁有自己的計算機(jī)或電視機(jī)，這些電器產(chǎn)品被帶入一個需考慮瞬變威脅的不利環(huán)境中。中國現(xiàn)已強(qiáng)制要求銷往某些農(nóng)村地區(qū)的電子產(chǎn)品應(yīng)具備以太網(wǎng)浪涌保護(hù)功能。新標(biāo)準(zhǔn)可確保昂貴的產(chǎn)品具有合理的使用壽命，以及使用該產(chǎn)品的家庭的安全性。中國的浪涌測試采用金屬性保護(hù)（線間）或縱向保護(hù)（線至地）波形。波形被定義為具有10μs的上升時間和700μs的衰減時間，客戶定義的開路電壓不低于1kV。正、負(fù)極性的浪涌都要進(jìn)行測試。要達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備必須在浪涌測試后仍然能夠繼續(xù)工作。

以太網(wǎng)端口包括變壓器以及共模扼流圈，用于將PHY連接至外部世界。變壓器與扼流圈都可以是分立器件，但集成方案（包含RJ-45接口、電阻和電容）正變得日益普及。在任何情況下，變壓器都將提供對外部電壓的高水平共模隔離，但不提供線間浪涌保護(hù)。對于線間（線與線）浪涌，電流將流入一根導(dǎo)線，穿過變壓器再返回至源頭。電流流過時會給線端（RJ-45端）的變壓器繞組充電。一旦浪涌消失，線端繞組將停止充電，并將其存儲的能量傳送給PHY芯片所在的芯片端。傳送到PHY端的脈沖信號很可能會損壞PHY芯片。

實現(xiàn)以太網(wǎng)收發(fā)器的可靠保護(hù)需要采用一組外部保護(hù)器件，它可以吸收預(yù)期的瞬變能量，將進(jìn)入的浪涌快速地降低到安全電平，但在正常工作情況下對系統(tǒng)沒有影響。為保證差分線對的信號完整性，必須對電容性負(fù)載與封裝進(jìn)行優(yōu)化。另外，每個最新以太網(wǎng)部署都會用到更高密度的電路板，因而要求保護(hù)方案占用更小的電路板空間。

升特公司的最新以太網(wǎng)保護(hù)方案RClamp2574N可滿足并超過所有上述要求。建議將其放置于變壓器的PHY端，盡可能靠近磁體。RClamp2574N可配置為保護(hù)一個千兆以太網(wǎng)的全部四對差分線對。如圖3所示，八個I/O引腳中的每一個都有一個低電容的控向二極管對，該器件用來將有害的浪涌電流引入內(nèi)部的低壓TVS二極管?？叵蚨O管的工作電壓僅有2.5V，采用升特公司專利的EPD工藝技術(shù)制造。低壓導(dǎo)通是一個很重要的保護(hù)參數(shù)，因為很多PHY芯片都集成了ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)并非針對承受很大的電能而設(shè)計。如果它們在外部保護(hù)實

現(xiàn)之前導(dǎo)通，則可能導(dǎo)致PHY芯片故障。典型千兆以太網(wǎng)PHY的工作電壓為2.5V，因此應(yīng)選用2.5V的TVS，因為一旦器件中的有害電壓超過了保護(hù)器件的穿通電壓，2.5V的TVS會立即導(dǎo)通，從而有效地保護(hù)PHY芯片。

圖4顯示了RClamp2574N的流通型PCB走線。信號線連接到第1、2、4、5、6、7、9和10腳。第3腳與8腳連接到三個中心接地。在一個典型以太網(wǎng)應(yīng)用中，這些引腳以及接地都應(yīng)懸空（即不接地）。在本例中，走線寬度為0.005英寸。過孔用于第6、7、9和10腳的換層連接，這樣所有八根信號線都可采用易于實現(xiàn)的流通型（flow though）布局。

另外，RClamp2574N的線間典型電容為1.7pF，這個值足夠小，可避免任何數(shù)據(jù)包丟失或錯誤。

本文小結(jié)

智能電視采用的最新技術(shù)也帶來了獨(dú)特的靜電保護(hù)問題。良好的瞬變抑制要求有最先進(jìn)的保護(hù)機(jī)制，能將瞬變電壓降低到一個安全水平，同時保持系統(tǒng)信號的完整性。盡早選擇正確的保護(hù)方案可以防止在設(shè)計后期出現(xiàn)瞬變電壓威脅，消除了重新進(jìn)行設(shè)計布局所花費(fèi)的不必要時間，從而在競爭激烈的消費(fèi)電子領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品快速上市。

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