高速HDMI接口4层PCB板布线指南

EDN电子技术设计 3天前
“即插即用”的特点，信号源和显示设备之间会自动进行“协商”，自动选择最合适的视频倍频格式。一对时钟差分，三对数据传输差分。


2、走线设计要求


尽可能使HDMI连接器和器件之间的电气长度保持最短，从而使衰减最小化。


为了使差分信号正常传输，一个差分对的两走线间距必须在整个走线轨迹上上保持一致。否则，间距变化就会引起磁场耦合不平衡，从而降低磁场消除的效果，造成EMI增加。推荐线宽间距比为1:1《W:S《1：2。

因为不同电气长度的走线会引起信号之间的相移，也会导致严重EMI，理想情况下，四对差分走线走线长度应该相等，保证信号传输的时序匹配。下图显示了相等及不同长度走线的逻辑状态。


四队差分走线对内误差最好做到5mil范围之内，对与对的差分误差最好控制在10mil范围之内。同时，对与对之间的间距要求做到15mil，空间准许的情况下尽量拉开，减小串扰。

等长修正方式：

a、在差分走线终点不匹配的地方进行绕线。


b、差分等长绕线Gap宽度满足4W，A的长度为线宽的3倍。


邻近GND层走线，空间足够的情况下进行包地处理。包地线离差分线间距满足差分线宽的3倍（中心到中心），铺铜离差分线20mil。
信号换层的过孔附近放置一些接地的过孔，以便为信号提供最近的回路。


3、阻抗设计要求


差分阻抗控制为100欧姆（+/-10%），单端走线控制50欧姆。

PCB设计的目的在于尽可能将非连续性阻抗最小化，从而消除反射并保持信号完整。剩下的不可避免的非连续性应集中在一起，也就是说将这一区域的面积应保持较小，并尽可能的紧密放置。这一想法就是将各个反射点集中在某个区域，而不是将其分布在整个信号路径里（具体可见等长修正方式）。

可能发生非连续性的位置为：

A、HDMI连接器焊盘同信号线迹相遇处；
B、信号线迹碰到过孔、电阻器组件盘或IC引脚处；
C、信号对被分离以围绕一个物体布线的地方；
信号线的匹配电阻起防ESD作用和微调阻抗用途，通常靠近插座放置，但是两个电阻必须是并排放置，不要一前一后。

使用坚实的电源层和接地层来实现100Ω阻抗控制，以及电源噪声最小化。即差分走线下面应该是完整的参考平面，尽量避免跨分割的情况出现。

尽可能使用尺寸最小的信号线过孔和HDMI连接器焊盘，因为其对100差动阻抗产生的影响较小。较大的过孔和焊盘可能会导致阻抗下降。推荐使用过孔8mil/16mil，或者8mil/18mil。


4、ESD处理


ESD器件一定要靠近HDMI的端子放置。但也不要放置太近，考虑工艺要求，避免在焊接HDMI座子的时候容易造成HDMI焊盘与ESD器件焊盘连锡的情况。间距为一个烙铁头的厚度即可。


HDMI接口的4层PCB板布线指南


一、聚酯胶片PCB的选择


尽管对于PC主板来说，高精度的2116材质FR4的4层PCB是主流，但是如果需要进行精确的阻抗控制，则其费用也是不菲的。因而对于HDMI应用来说，不推荐采用此板材，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。对于不同的板材，走线宽带和间距必须做出相应的调整，使其做的阻抗匹配，下面列出了PCB叠层相关的尺寸。

表1：推荐的PCB聚酯胶片板材

通常，PCB厂家能够将线宽和线距控制在±1-mil，然而对于HDMI连接器、IC器件等附近区域，最好能够控制在±0.5mil，以减少偏移。


二、推荐走线长度


为了防止信号反射，信号线的长度不允许超过下面两个约束条件所计算出的走线长度。

1.小于信号波长（λ）的1/16，信号波长与信号频率之间的关系由以下公式来确定。
这里εR=4.3~4.7，对于FR4材质μR~1

比如，对于运行于FR4板材，信号频率为1.25GHz，其走线长度计算结果如下：

推荐长度《（1/16）λ=“”？=“”280=“”》

2.信号上升沿的1/3长度，其长度l定义为

这里l为信号上升沿的长度，单位inchTr为信号上升沿时间，单位ps

D为信号延时，单位为ps/inch

对于FR4板材，其延时为180ps/inch，对于HDMI信号，Tr为200ps，其计算结果不能超过370mil，即：

如果信号线太长的话，那么最好将线宽和线距加大，以后线宽和线距加大后，其阻抗连续性更容易控制。详细的线宽和线距的选择请参考表1.


三、微带线Stub效应


stub将会给PCB走线增加电抗，并且减少走线的阻抗，对于HDMI走线，存在任何的stub都是不完美的。如果一个openstub是1/2波长，则其就等效于走线上的一个对地电容。而如果shortstub是1/2波长，其相对于在一个走线上加上一个电感。

如果stub是不可避免的话，那么必须将其控制在信号上升沿的1/6。经验告诉我们，对于200-ps的HDMI信号，stub的长度不允许超过1/6×200ps=33ps。


四、焊盘和过孔相关补偿


焊盘和过孔往往造成走线的不连续性，其结果使得走线阻抗降低。在器件下面的低平面挖出适当的孔，其有助于减少焊盘或过孔与地平面之间的电容，从而有利于补偿走线的阻抗损失。挖出空白尺寸的大小参考Section（A）里面的（i）-（iv）。

HDMI连接器焊盘之间也许会相互影响，为了达到相应的阻抗，并建立合理的信号路径，其参考平面，HDMI连接器推荐的地平面如Section（A）里面的（v）。Section（B）是推荐的案例。

Section（A）：地平面推荐的挖空尺寸

下面的案例基于1080+2116的聚酯胶片，差分线线宽为8.0mil，线距为9.3mil。其相关地平面的挖空尺寸如下。

（i）ESD或者上拉0603电阻焊盘下面挖空情况


图3.ESD或者上拉0603电阻焊盘下面挖空情况

（ii）ESD或者上拉0402电阻焊盘下面挖空情况


图4.ESD或者上拉0402电阻焊盘下面挖空情况


（iii）HDMI相关器件下面挖空情况

图5.HDMI相关器件下面挖空情况


（iv）过孔下面挖空情况


图6.过孔下面挖空情况

（v）HDMI连接器下面的挖空情况


图7.HDMI连接器下面的挖空情况

Section（B）：PCB相关区域约束情况

在实际情况下，在走线时是需要考虑PCB的空间问题的，所以在连接ESD器件和上拉电阻时，需要用到过孔和stubs，且需要在底层走线。下面的参考案例里面，包含了ESD器件、过孔和上拉电阻。

图8.带有ESD器件、过孔和上拉电阻的PCB走线情况

五、建议走线


1.尽可能的将过孔靠近HDMI连接器放置

当信号从HDMI连接器到HDMI焊盘时，由于电气上的改变，使得阻抗相应的增加，这种阻抗的增加刚好可以补偿HDMI边上过孔说造成的阻抗损失。由于过孔太靠近HDMI连接器，这将使得HDMI连接器周围没有足够的空间去走100Ω的差分线，这是将用50Ω的单端走线来代替，当必须保证此单端线足够的短。移除HDMI信号和时钟焊盘下面的地平面。

2.尽可能的采用小封装的上拉电阻和ESD器件

0402封装与0603封装相比，具有更小的焊盘，使其在阻抗上具有更小的损耗。

3.采用9mil线宽和11mil线距的差分走线如果走线够宽，则其阻抗更好的控制。

4.采用尽可能短的stubs

ESD保护器件、过孔和上拉电阻之间的stub尽可能的短，不能超过信号上升沿的1/6。

5.移除电阻焊盘和过孔下面的地平面此挖掉的孔必须要足够大，确保能够覆盖ESD器件焊盘、过孔和上拉电阻焊盘和所有的HDMI连接器上信号焊盘。其参考如下图9。

　　图9.ESD器件、过孔和上拉电阻下面的地平面


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