HDMI接口的PCB設(shè)計(jì)
1、定義
HDMI的全稱(chēng)是“HighDefinitionMultimedia”，即：高清多媒體接口。
HDMI在引腳上和DVI兼容，只是采用了不同的封裝。與DVI相比。HDMI可以傳輸數(shù)字音頻信號(hào)，并增加了對(duì)HDCP的支持，同時(shí)提供了更好的DDC可選功能。HDMI最遠(yuǎn)可傳輸15米，足以應(yīng)付一個(gè)1080p的視頻和一個(gè)8聲道的音頻信號(hào)。HDM1支持EDID、DDC2B，因此HDMI的設(shè)備具有“即插即用”的特點(diǎn)，信號(hào)源和顯示設(shè)備之間會(huì)自動(dòng)進(jìn)行“協(xié)商”，自動(dòng)選擇最合適的視頻倍頻格式。一對(duì)時(shí)鐘差分，三對(duì)數(shù)據(jù)傳輸差分。
2、走線設(shè)計(jì)要求
盡可能使HDMI連接器和器件之間的電氣長(zhǎng)度保持最短，從而使衰減最小化。
為了使差分信號(hào)正常傳輸，一個(gè)差分對(duì)的兩走線間距必須在整個(gè)走線軌跡上上保持一致。否則，間距變化就會(huì)引起磁場(chǎng)耦合不平衡，從而降低磁場(chǎng)消除的效果，造成EMI增加。推薦線寬間距比為1:1《W:S《1：2。
因?yàn)椴煌姎忾L(zhǎng)度的走線會(huì)引起信號(hào)之間的相移，也會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重EMI，理想情況下，四對(duì)差分走線走線長(zhǎng)度應(yīng)該相等，保證信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)序匹配。下圖顯示了相等及不同長(zhǎng)度走線的邏輯狀態(tài)。
四隊(duì)差分走線對(duì)內(nèi)誤差最好做到5mil范圍之內(nèi)，對(duì)與對(duì)的差分誤差最好控制在10mil范圍之內(nèi)。同時(shí)，對(duì)與對(duì)之間的間距要求做到15mil，空間準(zhǔn)許的情況下盡量拉開(kāi)，減小串?dāng)_。
等長(zhǎng)修正方式：
a、在差分走線終點(diǎn)不匹配的地方進(jìn)行繞線。
b、差分等長(zhǎng)繞線Gap寬度滿足4W，A的長(zhǎng)度為線寬的3倍。
鄰近GND層走線，空間足夠的情況下進(jìn)行包地處理。包地線離差分線間距滿足差分線寬的3倍（中心到中心），鋪銅離差分線20mil。
信號(hào)換層的過(guò)孔附近放置一些接地的過(guò)孔，以便為信號(hào)提供最近的回路。
3、阻抗設(shè)計(jì)要求
差分阻抗控制為100歐姆（+/-10%），單端走線控制50歐姆。
PCB設(shè)計(jì)的目的在于盡可能將非連續(xù)性阻抗最小化，從而消除反射并保持信號(hào)完整。剩下的不可避免的非連續(xù)性應(yīng)集中在一起，也就是說(shuō)將這一區(qū)域的面積應(yīng)保持較小，并盡可能的緊密放置。這一想法就是將各個(gè)反射點(diǎn)集中在某個(gè)區(qū)域，而不是將其分布在整個(gè)信號(hào)路徑里（具體可見(jiàn)等長(zhǎng)修正方式）。
可能發(fā)生非連續(xù)性的位置為：
A、HDMI連接器焊盤(pán)同信號(hào)線跡相遇處；
B、信號(hào)線跡碰到過(guò)孔、電阻器組件盤(pán)或IC引腳處；
C、信號(hào)對(duì)被分離以圍繞一個(gè)物體布線的地方；
信號(hào)線的匹配電阻起防ESD作用和微調(diào)阻抗用途，通?？拷遄胖?，但是兩個(gè)電阻必須是并排放置，不要一前一后。
使用堅(jiān)實(shí)的電源層和接地層來(lái)實(shí)現(xiàn)100Ω阻抗控制，以及電源噪聲最小化。即差分走線下面應(yīng)該是完整的參考平面，盡量避免跨分割的情況出現(xiàn)。
盡可能使用尺寸最小的信號(hào)線過(guò)孔和HDMI連接器焊盤(pán)，因?yàn)槠鋵?duì)100差動(dòng)阻抗產(chǎn)生的影響較小。較大的過(guò)孔和焊盤(pán)可能會(huì)導(dǎo)致阻抗下降。推薦使用過(guò)孔8mil/16mil，或者8mil/18mil。
4、ESD處理
ESD器件一定要靠近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(shí)候容易造成HDMI焊盤(pán)與ESD器件焊盤(pán)連錫的情況。間距為一個(gè)烙鐵頭的厚度即可。
HDMI接口的4層PCB板布線指南
一、聚酯膠片PCB的選擇
盡管對(duì)于PC主板來(lái)說(shuō)，高精度的2116材質(zhì)FR4的4層PCB是主流，但是如果需要進(jìn)行精確的阻抗控制，則其費(fèi)用也是不菲的。因而對(duì)于HDMI應(yīng)用來(lái)說(shuō)，不推薦采用此板材，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。對(duì)于不同的板材，走線寬帶和間距必須做出相應(yīng)的調(diào)整，使其做的阻抗匹配，下面列出了PCB疊層相關(guān)的尺寸。
表1：推薦的PCB聚酯膠片板材
通常，PCB廠家能夠?qū)⒕€寬和線距控制在±1-mil，然而對(duì)于HDMI連接器、IC器件等附近區(qū)域，最好能夠控制在±0.5mil，以減少偏移。
二、推薦走線長(zhǎng)度
為了防止信號(hào)反射，信號(hào)線的長(zhǎng)度不允許超過(guò)下面兩個(gè)約束條件所計(jì)算出的走線長(zhǎng)度。
1.小于信號(hào)波長(zhǎng)（λ）的1/16，信號(hào)波長(zhǎng)與信號(hào)頻率之間的關(guān)系由以下公式來(lái)確定。
這里εR=4.3~4.7，對(duì)于FR4材質(zhì)μR~1
比如，對(duì)于運(yùn)行于FR4板材，信號(hào)頻率為1.25GHz，其走線長(zhǎng)度計(jì)算結(jié)果如下：
推薦長(zhǎng)度《（1/16）λ=“”？=“”280=“”》
2.信號(hào)上升沿的1/3長(zhǎng)度，其長(zhǎng)度l定義為
這里l為信號(hào)上升沿的長(zhǎng)度，單位inchTr為信號(hào)上升沿時(shí)間，單位ps
D為信號(hào)延時(shí)，單位為ps/inch
對(duì)于FR4板材，其延時(shí)為180ps/inch，對(duì)于HDMI信號(hào)，Tr為200ps，其計(jì)算結(jié)果不能超過(guò)370mil，即：
如果信號(hào)線太長(zhǎng)的話，那么最好將線寬和線距加大，以后線寬和線距加大后，其阻抗連續(xù)性更容易控制。詳細(xì)的線寬和線距的選擇請(qǐng)參考表1.
三、微帶線Stub效應(yīng)
stub將會(huì)給PCB走線增加電抗，并且減少走線的阻抗，對(duì)于HDMI走線，存在任何的stub都是不完美的。如果一個(gè)openstub是1/2波長(zhǎng)，則其就等效于走線上的一個(gè)對(duì)地電容。而如果shortstub是1/2波長(zhǎng)，其相對(duì)于在一個(gè)走線上加上一個(gè)電感。
如果stub是不可避免的話，那么必須將其控制在信號(hào)上升沿的1/6。經(jīng)驗(yàn)告訴我們，對(duì)于200-ps的HDMI信號(hào)，stub的長(zhǎng)度不允許超過(guò)1/6×200ps=33ps。
四、焊盤(pán)和過(guò)孔相關(guān)補(bǔ)償
焊盤(pán)和過(guò)孔往往造成走線的不連續(xù)性，其結(jié)果使得走線阻抗降低。在器件下面的低平面挖出適當(dāng)?shù)目?，其有助于減少焊盤(pán)或過(guò)孔與地平面之間的電容，從而有利于補(bǔ)償走線的阻抗損失。挖出空白尺寸的大小參考Section（A）里面的（i）-（iv）。
HDMI連接器焊盤(pán)之間也許會(huì)相互影響，為了達(dá)到相應(yīng)的阻抗，并建立合理的信號(hào)路徑，其參考平面，HDMI連接器推薦的地平面如Section（A）里面的（v）。Section（B）是推薦的案例。
Section（A）：地平面推薦的挖空尺寸
下面的案例基于1080+2116的聚酯膠片，差分線線寬為8.0mil，線距為9.3mil。其相關(guān)地平面的挖空尺寸如下。
?。╥）ESD或者上拉0603電阻焊盤(pán)下面挖空情況
圖3.ESD或者上拉0603電阻焊盤(pán)下面挖空情況
?。╥i）ESD或者上拉0402電阻焊盤(pán)下面挖空情況
圖4.ESD或者上拉0402電阻焊盤(pán)下面挖空情況
?。╥ii）HDMI相關(guān)器件下面挖空情況
圖5.HDMI相關(guān)器件下面挖空情況
?。╥v）過(guò)孔下面挖空情況
圖6.過(guò)孔下面挖空情況
?。╲）HDMI連接器下面的挖空情況
圖7.HDMI連接器下面的挖空情況
Section（B）：PCB相關(guān)區(qū)域約束情況
在實(shí)際情況下，在走線時(shí)是需要考慮PCB的空間問(wèn)題的，所以在連接ESD器件和上拉電阻時(shí)，需要用到過(guò)孔和stubs，且需要在底層走線。下面的參考案例里面，包含了ESD器件、過(guò)孔和上拉電阻。
圖8.帶有ESD器件、過(guò)孔和上拉電阻的PCB走線情況
五、建議走線
1.盡可能的將過(guò)孔靠近HDMI連接器放置
當(dāng)信號(hào)從HDMI連接器到HDMI焊盤(pán)時(shí)，由于電氣上的改變，使得阻抗相應(yīng)的增加，這種阻抗的增加剛好可以補(bǔ)償HDMI邊上過(guò)孔說(shuō)造成的阻抗損失。由于過(guò)孔太靠近HDMI連接器，這將使得HDMI連接器周?chē)鷽](méi)有足夠的空間去走100Ω的差分線，這是將用50Ω的單端走線來(lái)代替，當(dāng)必須保證此單端線足夠的短。移除HDMI信號(hào)和時(shí)鐘焊盤(pán)下面的地平面。
2.盡可能的采用小封裝的上拉電阻和ESD器件
0402封裝與0603封裝相比，具有更小的焊盤(pán)，使其在阻抗上具有更小的損耗。
3.采用9mil線寬和11mil線距的差分走線如果走線夠?qū)?，則其阻抗更好的控制。
4.采用盡可能短的stubs
ESD保護(hù)器件、過(guò)孔和上拉電阻之間的stub盡可能的短，不能超過(guò)信號(hào)上升沿的1/6。
5.移除電阻焊盤(pán)和過(guò)孔下面的地平面此挖掉的孔必須要足夠大，確保能夠覆蓋ESD器件焊盤(pán)、過(guò)孔和上拉電阻焊盤(pán)和所有的HDMI連接器上信號(hào)焊盤(pán)。其參考如下圖9。
圖9.ESD器件、過(guò)孔和上拉電阻下面的地平面