HDMI接口芯片失效原因分析和改善措施

HDMI，全稱 High Definition Multimedia Interface， 即高清多媒體接口。自問世以來，HDMI 歷經(jīng)了多次版本的更新迭代。從最初的 HDMI 1.0 到如今的 HDMI 2.1，每一次更新都為用戶帶來了更高的帶寬、更多豐富的功能以及更出色的兼容性。在2025年的CES（消費電子展）展會上，HDMI Forum, Inc（亦可稱為HDMI論壇或HDMI管理委員會）正式對外宣布，即將推出HDMI標準的2.2版（圖1）。這一全新的HDMI 2.2標準的推出，標志著HDMI技術(shù)的又一次重大進步。

隨著4K/8K超高清視頻傳輸需求的增長，HDMI接口作為主流數(shù)字音視頻傳輸接口，其可靠性面臨嚴峻挑戰(zhàn)。據(jù)統(tǒng)計，消費電子領(lǐng)域約35%的HDMI接口故障由靜電放電（ESD）和浪涌沖擊引起，這類電氣過應(yīng)力（EOS）損壞直接影響設(shè)備使用壽命和用戶體驗。

圖1.2025年推出HDMI2.2標準

浪涌來自于哪里？

1. 用戶市電環(huán)境瞬態(tài)脈沖的耦合能量能量，會通電源間的LDO和DC-DC芯片傳導(dǎo)到下一級電路（MCU/IC）

2. 設(shè)備開關(guān)電源Y電容的設(shè)計不同，設(shè)備間電源GND與GND存在的壓差，帶電狀態(tài)下的插拔引起的瞬態(tài)電流泄放。

在項目研發(fā)測試驗證階段，EMC環(huán)境測試是必不可少的，大多產(chǎn)品都滿足ESD和電源的浪涌的整機測試；但對于信號線的浪涌沒有引起重視，海外廠商針對HDMI/DP/USB信號的浪涌測試有廠內(nèi)的測試電壓要求，目前國內(nèi)廠商也逐步跟進。從IEC61000-4-5標準（圖2）電壓波形和電流波形持續(xù)時間看，電壓波形和電流波形均為us級別，泄放能量遠大于ns級別的ESD能量，從損壞現(xiàn)象EOS也更容易觀察到。

圖2.IEC6100-4-5 電流電壓測試波形

ESD器件選型中，需要注意哪些參數(shù)？

響應(yīng)時間

正常工作狀態(tài)浪涌保護器件是不會動作的，當外界瞬態(tài)脈沖達到保護器件的觸發(fā)電壓才會開啟。所以，響應(yīng)時間越長，電子設(shè)備暴露在電壓尖峰下的時間就越長，IC的風(fēng)險越高。不同的芯片結(jié)構(gòu)界面設(shè)計，其響應(yīng)時間更會略有差異，理想的響應(yīng)時間小于1ns。

箝位電壓

箝位電壓是保護器件將電流泄放后兩端的壓降，鉗位電壓越低，對下一級芯片或電路的保護水平越好。你會發(fā)現(xiàn)市面上壓敏電阻或高分子材料的TVS的箝位電壓多達幾十V，而半導(dǎo)體制程的保護器件電壓會更接近受保護信號的最大電壓，能起到更好的保護效果。

能量吸收/耗散

可以理解為保護器件能吸收到多少的浪涌能量，Ipp是檢驗ESD保護器件通流能力的重要參數(shù)。Ipp數(shù)字越高，說明器件能吸收瞬態(tài)電流的能力越強。

寄生電容

在HDMI/DP/USB相對高速率的應(yīng)用中，寄生在PCB上或電子元件上的電容值越大，對于信號的上升沿和下降沿延時越高，在信號分析儀測試眼圖時會有信號質(zhì)量風(fēng)險。不同速率條件下對保護器件的寄生參數(shù)要求也不同，所以選型中要特別關(guān)注。

TDR阻抗測試

TDR測試目前主要使用于PCB(印制電路板)信號線、以及器件阻抗的測試，比如單端信號線，差分信號線，連接器線纜等。HDMI差分阻抗控制要求100Ω±10%，設(shè)計中要求ESD器件對阻抗影響越小越好，TDR評估ESD保護器件在插入PCB中對阻抗，是對信號要求的一個重要指標，HDMI器件通常選用貫穿式的封裝（圖3：DFN2510-10L貫穿layout圖）以減小因PCB布局帶來的阻抗突變。

圖3：DFN2510-10L貫穿layout圖

揚杰推出了針對信號線高浪涌防護能力的ESD器件，適用于客戶的不同測試要求，應(yīng)用此方案以降低HDMI接口芯片失效問題，同時減少客戶返修的帶來的品質(zhì)問題。表1給出 了HDMI接口防護方案參數(shù)和浪涌能力評估結(jié)果。

表1：HDMI應(yīng)用ESD+浪涌防護方案

總結(jié)：浪涌測試有助于確保系統(tǒng)的彈性和可靠性。通過對系統(tǒng)進行浪涌測試，您可以識別和減輕終端系統(tǒng)中可能導(dǎo)致電壓尖峰或電涌期間故障的潛在漏洞或弱點。

關(guān)于揚杰

揚州揚杰電子科技股份有限公司是國內(nèi)少數(shù)集半導(dǎo)體分立器件芯片設(shè)計制造、器件封裝測試、終端銷售與服務(wù)等產(chǎn)業(yè)鏈垂直一體化（IDM）的杰出廠商。產(chǎn)品線含蓋分立器件芯片、MOSFET、IGBT&功率模塊、SiC、整流器件、保護器件、小信號等，為客戶提供一攬子產(chǎn)品解決方案。
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