HDMI HW design guide

### HDMI 设计指南：高速 PCB 设计在 HDTV 接收器应用中的成功秘诀 #### 引言 本文旨在为 HDMI 多路复用重发器的用户在高速 PCB 设计过程中提供指导，帮助他们最大限度地发挥设备性能。我们将探讨高速 PCB 设计的关键方面，并提出具体的建议。本讨论将涵盖层叠结构、差分走线、受控阻抗传输线、不连续性、布线准则、参考平面、通孔和去耦电容器等主题。 #### 层叠结构 HDMI 多路复用重发器的引脚布局是专门为 HDTV 接收器电路设计的（见图 1）。封装的每一侧都提供了 HDMI 接口，每个接口包含四个差分 TMDS 信号对，因此总共有三个输入端口和一个输出端口。其余信号包括电源轨 Vcc 和地线，以及 I2C 接口、热插拔检测和多路复用选择引脚等低速信号。 **图 1. 设备引脚布局专为 HDTV 接收器应用而设计** 实现低 EMI 的 PCB 设计至少需要四层板（见图 2）。层叠结构应按以下顺序排列（从上到下）：TMDS 信号层、地平面、电源平面和控制信号层。 **图 2. 推荐用于接收器 PCB 设计的 4 或 6 层堆栈** - 将高速 TMDS 走线布置在顶层可以避免使用通孔（及其引入的电感），并允许从 HDMI 连接到重发器输入，以及从重发器输出到后续接收器电路的干净连接。 - 在高速信号层旁边放置一个完整的地平面，为传输线互连建立受控阻抗，并为返回电流流提供一个极低电感路径。 - 将电源平面放在地平面旁边可以增加高频旁路电容。 - 将低速控制信号布置在底层。 #### 差分走线 为了确保信号完整性和最小化 EMI，差分走线应遵循以下准则： - **等长走线**：确保每一对差分信号走线长度相同，以保持信号同步。 - **平行距离**：保持差分对之间的固定距离，通常建议在 3 至 5 倍线宽范围内。 - **屏蔽与隔离**：通过在差分对周围设置适当的间隙或地环来隔离其他信号，减少串扰。 #### 受控阻抗传输线 受控阻抗传输线对于维持信号完整性至关重要。主要考虑因素包括： - **特性阻抗**：设计时应确保传输线具有恒定的特性阻抗值，通常是 50Ω 或 75Ω。 - **匹配终端**：在源端和负载端使用匹配电阻来减少反射。 - **连续性**：避免在信号路径中出现任何不连续性，如过孔、弯道等。 #### 不连续性 不连续性如过孔、锐角转弯等会严重影响信号质量。解决方法包括： - **减少过孔数量**：尽可能减少过孔的使用，特别是在高速信号路径中。 - **钝角转弯**：采用钝角转弯而非锐角，减少信号损耗。 - **微带线到带状线转换**：如果必须使用过孔，则考虑使用微带线到带状线转换来减少阻抗变化。 #### 布线准则 高速信号布线时应注意以下几点： - **保持直线路由**：尽可能使信号走直线，避免不必要的弯曲。 - **远离电源/地线**：确保高速信号走线远离电源和地线层，以减少噪声耦合。 - **使用地回路**：对于高速差分信号，推荐使用地回路来减少电磁辐射。 #### 参考平面 参考平面对于高速信号的正确路由至关重要。建议做法如下： - **紧邻信号层**：确保地平面紧邻高速信号层。 - **连续性**：地平面应尽量连续，以提供良好的电流返回路径。 - **分割处理**：如果必须分割地平面，请确保有足够大的连接区域以维持信号完整性。 #### 通孔与去耦电容器 通孔和去耦电容器的选择和布置也非常重要： - **通孔尺寸**：使用合适大小的通孔，以减少电感效应。 - **去耦电容**：在关键位置放置合适的去耦电容器，以减少电源噪声和电压波动。 - **布局优化**：优化电容器的位置，确保它们靠近 IC 电源针脚，以提高去耦效果。 在设计 HDMI 接收器的高速 PCB 时，需要综合考虑多个因素，包括层叠结构的设计、差分走线、受控阻抗传输线、不连续性的处理、布线准则、参考平面的应用以及通孔和去耦电容器的选择与布局。通过遵循这些指导原则，可以显著提高信号质量和系统的整体性能。