滿足GMSL靜電防護(hù)要求的方案

什么是GMSL?它是做什么用的?它有什么優(yōu)點(diǎn)?設(shè)計(jì)GMSL防靜電有啥難度?帶著這些疑問我們先了解下什么是GMSL。

一.簡述 GMSL

GMSL(Gigabit Multimedia Serial Link)即千兆多媒體串行鏈路，是 Maxim 公司推出的一種高速串行接口，適用于音頻、視頻和控制信號(hào)的傳輸。

通信介質(zhì)支持同軸電纜以及屏蔽雙絞線，使用50Ω同軸電纜或者100Ω屏蔽雙絞線(STP)時(shí)，長度可達(dá)15米。其核心技術(shù)是串行器/解串器技術(shù)(SerDes)，首先通過串行器將并行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)為串行數(shù)據(jù)流，然后通過更高的頻率進(jìn)行傳輸，之后再通過解串器將接收到的串行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)流。

GMSL 的意義在于解決了音頻、視頻和控制信號(hào)的高速傳輸問題。在此之前，大量數(shù)據(jù)傳輸通常采用并行總線增加帶寬，但線束過多會(huì)增加成本、重量和 EMI 電磁干擾。當(dāng)數(shù)據(jù)量達(dá)到一定量級(jí)后，并行總線的劣勢顯現(xiàn)，如難以和時(shí)鐘同步、布線長度差異導(dǎo)致同步困難、信號(hào)線間相互干擾等，這是并行總線的技術(shù)瓶頸。而串行總線不存在信號(hào)線間干擾和同一時(shí)序問題，只需提高頻率，且工業(yè)上一般使用差分信號(hào)傳輸，更能保證信號(hào)準(zhǔn)確性，所以目前面對高數(shù)據(jù)流傳輸，串行總線被廣泛采用。

二.GMSL 應(yīng)用場合

GMSL 常見的應(yīng)用場景包括以下幾方面：

1. 汽車電子領(lǐng)域：用于車載攝像頭、顯示屏等設(shè)備之間的高速數(shù)據(jù)傳輸，以支持高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)和車載信息娛樂系統(tǒng)。

2. 工業(yè)自動(dòng)化：在工廠自動(dòng)化設(shè)備中，連接各類傳感器、攝像頭和控制單元，實(shí)現(xiàn)高速、可靠的數(shù)據(jù)通信。

3. 安防監(jiān)控系統(tǒng)：用于連接監(jiān)控?cái)z像頭和監(jiān)控中心的設(shè)備，確保高清視頻信號(hào)的穩(wěn)定傳輸。

4. 醫(yī)療設(shè)備：例如在醫(yī)療成像設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的快速傳輸和處理。

所以GMSL應(yīng)用就在我們身邊，這些應(yīng)用場景都依賴于它能夠提供的高速、低延遲和抗干擾的數(shù)據(jù)傳輸能力。

三.GMSL 具有以下特點(diǎn)和優(yōu)勢

高速率：目前基于 GMSL 架構(gòu)的通信協(xié)議最高可實(shí)現(xiàn)單通道 6Gbps(GMSL2)的速率。

遠(yuǎn)距離：使用特定線纜時(shí)傳輸距離15米。

抗干擾性強(qiáng)：串行傳輸方式及差分信號(hào)傳輸使其具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

GMSL 技術(shù)經(jīng)歷了較長的發(fā)展時(shí)間。第一代 GMSL 從 2003 年開始，最高支持 3Gbps 的傳輸速率，可傳輸 1080p/30fps(1 百萬-3 百萬像素)的視頻流數(shù)據(jù);2017 年之后出現(xiàn)的 GMSL2 代技術(shù)，傳輸帶寬提升至 6Gbps，能輕松傳輸 4K/30fps(8 百萬像素)的視頻流數(shù)據(jù)。

四.GMSL-POC設(shè)計(jì)

GMSL-POC 是現(xiàn)在大家應(yīng)用的比較多的一項(xiàng)技術(shù)，POC 則是指同軸電纜供電(Power Over Coaxial)，也就是在同軸線纜中除了傳輸 GMSL 串行數(shù)據(jù)外，還同時(shí)傳輸電源。

在 GMSL 系統(tǒng)中使用 POC 技術(shù)具有一些優(yōu)勢，例如減少線纜數(shù)量、簡化系統(tǒng)布線等。POC 電路設(shè)計(jì)的原則是通過多個(gè)電感構(gòu)成寬頻帶濾波器，在低頻時(shí)使 DC 直流電源順利通過，在高頻時(shí)具有足夠大的阻抗以抑制正向通道數(shù)據(jù)(如攝像頭采集的數(shù)據(jù)信號(hào))及反向通道(控制信號(hào))數(shù)據(jù)通過，防止信號(hào)泄露到直流電源端。同時(shí)采用電容隔離直流信號(hào)，耦合高速信號(hào)，以確保高速信號(hào)在要求的帶寬區(qū)間內(nèi)順利通過。

在實(shí)際應(yīng)用中，為了確保 GMSL POC 系統(tǒng)的正常運(yùn)行，需要合理配置相關(guān)的電阻、電感等元件，并根據(jù)具體的電壓情況(如 5V 或 12V POC)進(jìn)行調(diào)整。同時(shí)，要注意保護(hù)系統(tǒng)免受過壓和過流等情況的影響。

GMSL-POC系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如下：

五.關(guān)于GMSL靜電保護(hù)

1. 為什么需要增加靜電保護(hù)器件？

我們知道靜電放電(ESD)是一種電荷的積累，靜電可能會(huì)導(dǎo)致GMSL 相關(guān)的設(shè)備出現(xiàn)各種問題，例如功能失效、數(shù)據(jù)錯(cuò)誤、甚至永久性損壞等。在一些對可靠性要求較高的應(yīng)用場景中，如汽車電子系統(tǒng)，微小的靜電脈沖都可能干擾或破壞數(shù)據(jù)的傳輸，影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。具體來說，GMSL 常用于視頻、音頻和控制信號(hào)的傳輸，這些信號(hào)對干擾較為敏感。靜電可能通過各種途徑引入到系統(tǒng)中，例如人體接觸、設(shè)備之間的摩擦、環(huán)境中的靜電積累等。

為了確保 GMSL 系統(tǒng)的穩(wěn)定和可靠運(yùn)行，采取靜電保護(hù)措施是必要的。這些保護(hù)措施通常包括使用具有靜電保護(hù)功能的芯片比如ESD二極管，如上圖D1，D2，D3，D4。有的芯片內(nèi)部有ESD保護(hù)，比如MAX96705就具有±8kV 接觸放電 ESD 保護(hù)和±15kV 氣隙放電保護(hù)，但這個(gè)量級(jí)的保護(hù)沒有達(dá)到您的要求，所以需要外部增加一顆，文章后面的列表中列出的上海雷卯幾款抗靜電能力較強(qiáng)的ESD二極管，抗靜電能力都高于芯片內(nèi)部。有了外部ESD二極管的保護(hù)從而提升了系統(tǒng)的抗靜電干擾能力，保證在存在一定靜電環(huán)境的情況下，GMSL 設(shè)備仍能正常工作，可靠地傳輸數(shù)據(jù)

2. ESD二極管的放置位置。

按一般常理來說ESD二極管應(yīng)該放置在連接器的接口處，但對于GMSL-POC系統(tǒng)ESD二極管放在靠近Serializer/Deserializer芯片管腳處更為合適，為什么?

對于帶有POC的GMSL系統(tǒng) ,如果POC 供電電壓是12V , ESD二極管的擊穿電壓必須高壓12V ，POC才能正常工作，否則一上電ESD二極管處于擊穿狀態(tài)，POC無法正常供電。但如果所選二極管擊穿電壓高于12V , 當(dāng)?shù)陀?2V的靜電引入后，Serializer/Deserializer芯片管腳容易被打壞，無法做到很好保護(hù)，因此把ESD二極管放在Serializer/Deserializer芯片管腳處是比較合適的。如果GMSL不使用POC , 可以選擇把ESD二極管放在接口處。

我們根據(jù)所選Serializer/Deserializer管腳電平，選擇合適的ESD二極管做保護(hù)。

3.上海雷卯推出的幾款GMSL 靜電保護(hù)二極管