智能電視是指集成了互聯網功能的電視機，它能提供比當今普通電視機更高級的計算能力和聯網功能。為了獲得更高性能，智能電視通常都采用最新一代的技術。隨著更小更先進的集成電路不斷促進電視機的發展，電磁兼容（EMC）領域將出現新的挑戰，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與千兆以太網接口提供保護方案。

 

HDMI的ESD/CDE保護

 

自從推出以來，HDMI（高清晰多媒體接口）已逐漸得到普及。消費電子領域廣泛采用該接口進行高清數字內容的傳輸。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的系統必須保護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（過度電性應力）規范要求，而不致損壞。目前HDMI芯片工作在2.25Gbps，不久將達到3.4Gbps。在如此高的數據傳輸速率下，對信號完整性與阻抗要求的關注將遠遠超過HDMI一致性測試規范（CTS）。該規范要求所有HDMI接收設備都需將高速線路的差分阻抗保持在100Ω±15%。

 

在3.4Gbps的數據傳輸速率下，如何在不增加額外電容負載的條件下提供低箝位電壓保護非常關鍵。為有效抑制瞬態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電路的總電容，同時保持強大的浪涌保護能力。升特（Semtech）公司首創了采用這種架構的高級集成式TVS器件，無需付出高電容的代價就能獲得良好的保護。

 

 

RClamp0584J是這種集成式TVS保護器件的一個最佳實例（圖1）。該器件是RailClamp系列高速接口保護產品的最新成員。這種四線、5V工作電壓保護器件的性能超出了IEC 6100-4-2 level 4對靜電瞬變的保護要求。圖1同時也明確顯示，這款器件采用了獨特的封裝設計。“穿通型（Flow 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致的額外寄生電感與電容。

 

 

給HDMI接口增加ESD保護時，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，左圖是沒有任何保護的HDMI視頻信號，右圖則是增加了TVS保護器件后的HDMI接口信號。可以看出RClamp0584J對眼圖的信號完整性影響非常小。

 

千兆以太網的浪涌保護

 

典型智能電視與傳統電視的主要區別是通過以太網接入互聯網的聯網功能。千兆以太網已廣泛應用于新型智能電視。它工作在125MHz頻率，用四對雙絞線進行收發（全雙工）。它采用一種雙向的五級編碼機制，該機制需要一個復雜的PHY芯片組。最新的以太網PHY芯片組一般都采用65nm或45nm工藝制作。這些更小的技術節點可實現更高的性能，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一直是計算機或消費電子產品中以太網接口的最典型瞬變威脅。閃電或浪涌保護主要用于通信基礎設施。近年來，由于技術的進步，計算機與消費電子產品越來越便宜。當全球大多數人都能擁有自己的計算機或電視機，這些電器產品被帶入一個需考慮瞬變威脅的不利環境中。中國現已強制要求銷往某些農村地區的電子產品應具備以太網浪涌保護功能。新標準可確保昂貴的產品具有合理的使用壽命，以及使用該產品的家庭的安全性。中國的浪涌測試采用金屬性保護（線間）或縱向保護（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、負極性的浪涌都要進行測試。要達到合格標準，設備必須在浪涌測試后仍然能夠繼續工作。

 

 

以太網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。對于線間（線與線）浪涌，電流將流入一根導線，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。

 

實現以太網收發器的可靠保護需要采用一組外部保護器件，它可以吸收預期的瞬變能量，將進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沒有影響。為保證差分線對的信號完整性，必須對電容性負載與封裝進行優化。另外，每個最新以太網部署都會用到更高密度的電路板，因而要求保護方案占用更小的電路板空間。

 

升特公司的最新以太網保護方案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可配置為保護一個千兆以太網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部的低壓TVS二極管。控向二極管的工作電壓僅有2.5V，采用升特公司專利的EPD工藝技術制造。低壓導通是一個很重要的保護參數，因為很多PHY芯片都集成了ESD保護結構。這些結構并非針對承受很大的電能而設計。如果它們在外部保護實現之前導通，則可能導致PHY芯片故障。典型千兆以太網PHY的工作電壓為2.5V，因此應選用2.5V的TVS，因為一旦器件中的有害電壓超過了保護器件的穿通電壓，2.5V的TVS會立即導通，從而有效地保護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。在一個典型以太網應用中，這些引腳以及接地都應懸空（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，可避免任何數據包丟失或錯誤。

 

本文小結

 

智能電視采用的最新技術也帶來了獨特的靜電保護問題。良好的瞬變抑制要求有最先進的保護機制，能將瞬變電壓降低到一個安全水平，同時保持系統信號的完整性。盡早選擇正確的保護方案可以防止在設計后期出現瞬變電壓威脅，消除了重新進行設計布局所花費的不必要時間，從而在競爭激烈的消費電子領域實現產品快速上市。

 

本文轉載自安規與電磁兼容網"微信公眾號。

 

 

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