HDMI接口的PCB設計

1、定義

HDMI的全稱是“HighDefinitionMultimedia”，即：高清多媒體接口。

HDMI在引腳上和DVI兼容，只是採用了不同的封裝。與DVI相比。HDMI可以傳輸數字音頻信號，並增加了對HDCP的支持，同時提供了更好的DDC可選功能。HDMI最遠可傳輸15米，足以應付一個1080p的視頻和一個8聲道的音頻信號。HDM1支持EDID、DDC2B，因此HDMI的設備具有“即插即用”的特點，信號源和顯示設備之間會自動進行“協商”，自動選擇最合適的視頻倍頻格式。一對時鐘差分，三對數據傳輸差分。

2、走線設計要求

儘可能使HDMI連接器和器件之間的電氣長度保持最短，從而使衰減最小化。

為了使差分信號正常傳輸，一個差分對的兩走線間距必須在整個走線軌跡上上保持一致。否則，間距變化就會引起磁場耦合不平衡，從而降低磁場消除的效果，造成EMI增加。推薦線寬間距比為1:1《W:S《1：2。

因為不同電氣長度的走線會引起信號之間的相移，也會導致嚴重EMI，理想情況下，四對差分走線走線長度應該相等，保證信號傳輸的時序匹配。下圖顯示了相等及不同長度走線的邏輯狀態。

四隊差分走線對內誤差最好做到5mil範圍之內，對與對的差分誤差最好控制在10mil範圍之內。同時，對與對之間的間距要求做到15mil，空間准許的情況下儘量拉開，減小串擾。

等長修正方式：

a、在差分走線終點不匹配的地方進行繞線。

b、差分等長繞線Gap寬度滿足4W，A的長度為線寬的3倍。

鄰近GND層走線，空間足夠的情況下進行包地處理。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。

信號換層的過孔附近放置一些接地的過孔，以便為信號提供最近的迴路。

3、阻抗設計要求

差分阻抗控制為100歐姆（+/-10%），單端走線控制50歐姆。

PCB設計的目的在於儘可能將非連續性阻抗最小化，從而消除反射並保持信號完整。剩下的不可避免的非連續性應集中在一起，也就是說將這一區域的面積應保持較小，並儘可能的緊密放置。這一想法就是將各個反射點集中在某個區域，而不是將其分佈在整個信號路徑裡（具體可見等長修正方式）。

可能發生非連續性的位置為：

A、HDMI連接器焊盤同信號線跡相遇處；

B、信號線跡碰到過孔、電阻器組件盤或IC引腳處；

C、信號對被分離以圍繞一個物體佈線的地方；

信號線的匹配電阻起防ESD作用和微調阻抗用途，通常靠近插座放置，但是兩個電阻必須是並排放置，不要一前一後。

使用堅實的電源層和接地層來實現100Ω阻抗控制，以及電源噪聲最小化。即差分走線下面應該是完整的參考平面，儘量避免跨分割的情況出現。

儘可能使用尺寸最小的信號線過孔和HDMI連接器焊盤，因為其對100差動阻抗產生的影響較小。較大的過孔和焊盤可能會導致阻抗下降。推薦使用過孔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座子的時候容易造成HDMI焊盤與ESD器件焊盤連錫的情況。間距為一個烙鐵頭的厚度即可。

HDMI接口的4層PCB板佈線指南

一、聚酯膠片PCB的選擇

儘管對於PC主板來說，高精度的2116材質FR4的4層PCB是主流，但是如果需要進行精確的阻抗控制，則其費用也是不菲的。因而對於HDMI應用來說，不推薦採用此板材，取而代之的是採用中等精度的1080+2116板材或者是低精度的2116+7628板材。對於不同的板材，走線寬帶和間距必須做出相應的調整，使其做的阻抗匹配，下面列出了PCB疊層相關的尺寸。

表1：推薦的PCB聚酯膠片板材

通常，PCB廠家能夠將線寬和線距控制在±1-mil，然而對於HDMI連接器、IC器件等附近區域，最好能夠控制在±0.5mil，以減少偏移。

二、推薦走線長度

為了防止信號反射，信號線的長度不允許超過下面兩個約束條件所計算出的走線長度。

1.小於信號波長（λ）的1/16，信號波長與信號頻率之間的關係由以下公式來確定。

這裡εR=4.3~4.7，對於FR4材質μR~1

比如，對於運行於FR4板材，信號頻率為1.25GHz，其走線長度計算結果如下：

推薦長度《（1/16）λ=“”？=“”280=“”》

2.信號上升沿的1/3長度，其長度l定義為

這裡l為信號上升沿的長度，單位inchTr為信號上升沿時間，單位ps

D為信號延時，單位為ps/inch

對於FR4板材，其延時為180ps/inch，對於HDMI信號，Tr為200ps，其計算結果不能超過370mil，即：

如果信號線太長的話，那麼最好將線寬和線距加大，以後線寬和線距加大後，其阻抗連續性更容易控制。詳細的線寬和線距的選擇請參考表1.

三、微帶線Stub效應

stub將會給PCB走線增加電抗，並且減少走線的阻抗，對於HDMI走線，存在任何的stub都是不完美的。如果一個openstub是1/2波長，則其就等效於走線上的一個對地電容。而如果shortstub是1/2波長，其相對於在一個走線上加上一個電感。

如果stub是不可避免的話，那麼必須將其控制在信號上升沿的1/6。經驗告訴我們，對於200-ps的HDMI信號，stub的長度不允許超過1/6×200ps=33ps。

四、焊盤和過孔相關補償

焊盤和過孔往往造成走線的不連續性，其結果使得走線阻抗降低。在器件下面的低平面挖出適當的孔，其有助於減少焊盤或過孔與地平面之間的電容，從而有利於補償走線的阻抗損失。挖出空白尺寸的大小參考Section（A）裡面的（i）-（iv）。

HDMI連接器焊盤之間也許會相互影響，為了達到相應的阻抗，並建立合理的信號路徑，其參考平面，HDMI連接器推薦的地平面如Section（A）裡面的（v）。Section（B）是推薦的案例。

Section（A）：地平面推薦的挖空尺寸

下面的案例基於1080+2116的聚酯膠片，差分線線寬為8.0mil，線距為9.3mil。其相關地平面的挖空尺寸如下。

（i）ESD或者上拉0603電阻焊盤下面挖空情況

圖3.ESD或者上拉0603電阻焊盤下面挖空情況

（ii）ESD或者上拉0402電阻焊盤下面挖空情況

圖4.ESD或者上拉0402電阻焊盤下面挖空情況

（iii）HDMI相關器件下面挖空情況

圖5.HDMI相關器件下面挖空情況

（iv）過孔下面挖空情況

圖6.過孔下面挖空情況

（v）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相關區域約束情況

在實際情況下，在走線時是需要考慮PCB的空間問題的，所以在連接ESD器件和上拉電阻時，需要用到過孔和stubs，且需要在底層走線。下面的參考案例裡面，包含了ESD器件、過孔和上拉電阻。

圖8.帶有ESD器件、過孔和上拉電阻的PCB走線情況

五、建議走線

1.儘可能的將過孔靠近HDMI連接器放置

當信號從HDMI連接器到HDMI焊盤時，由於電氣上的改變，使得阻抗相應的增加，這種阻抗的增加剛好可以補償HDMI邊上過孔說造成的阻抗損失。由於過孔太靠近HDMI連接器，這將使得HDMI連接器周圍沒有足夠的空間去走100Ω的差分線，這是將用50Ω的單端走線來代替，當必須保證此單端線足夠的短。移除HDMI信號和時鐘焊盤下面的地平面。

2.儘可能的採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，使其在阻抗上具有更小的損耗。

3.採用9mil線寬和11mil線距的差分走線如果走線夠寬，則其阻抗更好的控制。

4.採用儘可能短的stubs

ESD保護器件、過孔和上拉電阻之間的stub儘可能的短，不能超過信號上升沿的1/6。

5.移除電阻焊盤和過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、過孔和上拉電阻焊盤和所有的HDMI連接器上信號焊盤。其參考如下圖9。

圖9.ESD器件、過孔和上拉電阻下面的地平面

來自EDN電子技術設計

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