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一、真的了解HDMI吗HDMI High-Definition Multimedia Interface高分辨率多媒体接口是当前最主流的数字音视频接口核心用途一根线同时传输数字视频 数字音频 控制/协商信息。特点如下一线通视频、音频、控制、网络可同时传输。数字高清支持 1080p、4K、8KHDR、广色域、高刷新率。 多声道音频支持 Dolby、DTS 等eARC 可回传无损音频。版本兼容接口外形兼容但功能取决于设备版本和线材。HDMI 1.44K30Hz、ARC、以太网通道。HDMI 2.04K60Hz、HDR、18Gbps。HDMI 2.18K60Hz、4K120Hz、48Gbps、VRR、ALLM、eARC。控制与保护CEC 可联动开关设备HDCP 保护版权内容。接口多样标准 HDMI、Mini HDMI、Micro HDMI。典型结构传统 Type-A 的 112 脚就是四组高速差分相关线路1319 脚负责控制、DDC、电源、热插拔和 HEAC。Pin信号作用1TMDS Data2高速差分2Data2 ShieldData2 屏蔽3TMDS Data2−高速差分4TMDS Data1高速差分5Data1 ShieldData1 屏蔽6TMDS Data1−高速差分7TMDS Data0高速差分8Data0 ShieldData0 屏蔽9TMDS Data0−高速差分10TMDS ClockTMDS 时钟FRL 时可作为高速 Lane11Clock Shield屏蔽12TMDS Clock−TMDS 时钟FRL 时可作为高速 Lane13CEC设备控制总线14Utility / HEACARC/HEC/eARC 等用途15DDC SCLI²C 时钟16DDC SDAI²C 数据17DDC/CEC/HEAC GND控制信号地185 VHDMI 辅助电源19HPD / HEAC−热插拔检测兼作 HEACHDMI工作逻辑① 插线↓② Source 提供 5V↓③ Sink 拉起 HPD↓④ Source 通过 DDC 读取 EDID↓⑤ 双方确定分辨率刷新率色深RGB / YCbCrHDR音频能力TMDS / FRL能力↓⑥ 高带宽 FRL 模式进行链路训练等↓⑦ 如果内容受保护 → HDCP认证↓⑧ 建立高速数据链路↓⑨ 视频 音频开始传输二、HDMI外围原理图设计在本设计中需要HDMI来传输视频图像只需4K60选用标准HDMI (Type A)连接器即可1.参考原理图如下2.注意三对差分高速信号和一对时钟信号采用esd73034d来做静电防护它本质上是一个电路保护芯片当接口线路遭遇静电ESD或浪涌电压时它能迅速将过高的电压钳位在安全水平并将瞬时大电流泄放掉从而保护后级敏感芯片不被击穿。此外这款芯片的结电容只有0.13pF对信号完整性影响极小。1319 脚中负责eARC、DDC、HPD热插拔和 CEC采用ESD保护二极管esd5341n保护高速数据接口低速线SCL、SDA、HPD用的 ESD5341N 就没有这么苛刻的要求免受静电放电ESD损坏而设计区别于上面这款芯片的是它是一款单通道保护器件。DDC这是一路 I²C板子通过它读取显示器的 EDID从而知道显示器支持哪些分辨率。CEC 和 eARC本设计不用CEC 用于电视遥控联动。 eARC 用于电视把声音传回板子它借用了 14 脚以及 19 脚和 HPD 共线所以 HPD 那里才要串 1.2k 做隔离。HPD显示器插上后会把座子 19 脚拉到约 5V电压先经 R3111.2k进来R31347k是下拉保证没插显示器时读到的是低电平。然后经过两颗 NMOS管2SK3018Q16、Q15每一级都会把电平反相一次两级下来极性不变。同时电平被转换成 1.8V送到 HDMITX0_HPDIN_M0系统据此判断显示器插上了。对于NMOS管2SK3018的选择关键在于——————Vgs(th) 最大值HPD两级MOS原理由于SoC 引脚1.8V IO要读成插上了分压后的电压必须落在 1.2–2.1V 这个窗口19 脚的电压可能是 2.0–5.3V 之间的任何值但是如果采用分压电阻分压电阻在 1.8V 域里凑不出合适的比例,k 取小了低电压那头读不到取大了高电压那头超压.假设用分压比 k 把 19 脚电压降到 1.8V 域19 脚最低 2.0V 时分压后必须高于 1.8V IO 的高电平门限约 1.2V所以 k ≥ 0.6。19 脚最高 5.3V 时分压后不能超过 IO 的耐压约 1.8V 0.3V 2.1V所以 k ≤ 0.4。k 不可能同时满足 ≥ 0.6 和 ≤ 0.4。换句话说用分压2.0–5.3V 的整个范围兼顾不了。MOS为什么可以?MOS 不是按比例缩小而是一个开关19 脚电压只要超过约 1VMOS 就导通低于这个值就关断。输出电压和输入是多少无关只由上拉电阻决定永远是 0V 或 1.8V。电路里的电压和电流HDMI0_TX_HPD_PORT栅压 19 脚电压 × 47k ÷ (1.2k 47k) ≈ 0.975 × 19 脚电压。19 脚为 2.0V 时栅压约 1.95V为 5.3V 时约 5.2V。从电视 HPD 取的电流 ≈ 5V ÷ 48k ≈ 0.1mA。电视端的 HPD 一般经 1k 驱动压降只有约 0.1V影响可以忽略。差分信号电路分析对于传统 TMDS显示器靠源端吸电流来建立电平HDMI 2.0 及以前的 TMDS 标准是这样规定的显示器接收端在每根线上接 50Ω 电阻上拉到 3.3V发送端是一个电流开关直接连在线上往地里吸约 10mA 电流3.3V ─ 50Ω ─┬─ 线 ─── 发送端开关吸电流接地显示器内吸电流时线上电压 3.3V − 50Ω × 10mA 2.8V不吸电流时线上电压 3.3V所以每根线在 2.8V 和 3.3V 之间跳动平均直流电平约 3.0V。HDMI 规范对这个直流电平有明确要求但是由于本设计中HDMI是挂载在RK3588上的对于RK3588 的 HDMI 发送器只支持 AC 耦合所以每根线上都串了 220nF 电容。电容隔断了直流显示器那边的 50Ω 上拉就没有电流可流了线上的直流电平会停在 3.3V。这不符合规范要求的约 3V有的显示器会识别不到信号或者工作异常。所以在电容的座子侧接499R到地就模拟出了传统发送端的平均吸电流电流 3.3V ÷ (50 499)Ω ≈ 6mA线上直流电平 3.3V − 50Ω × 6mA ≈ 3.0V高速信号经电容过去直流电平由 499Ω 来建立两者互不干扰。采用 MOS 管WNM6002-3/TR串在 499Ω 下面当开关TMDS 模式下导通关闭或 FRL 模式下断开WNM6002-3/TR参数要求Coss 7.33pFMOS 关断时起作用FRL 模式下 MOS 关断目的是把 499Ω 这条对地支路断开。但关断的 MOS 漏极对地仍然有 Coss 这个电容高频信号可以经 499Ω 再经 Coss 漏到地。以 FRL 12Gbps 为例基频约 6GHz7.33pF 的容抗只有1 ÷ (2π × 6GHz × 7.33pF) ≈ 3.6Ω也就是说对高频信号来说这个断开其实不彻底。Coss 越大关断效果越差线路上的损耗和反射也越大 HDMI 外围电路设计
一、真的了解HDMI吗HDMI High-Definition Multimedia Interface高分辨率多媒体接口是当前最主流的数字音视频接口核心用途一根线同时传输数字视频 数字音频 控制/协商信息。特点如下一线通视频、音频、控制、网络可同时传输。数字高清支持 1080p、4K、8KHDR、广色域、高刷新率。 多声道音频支持 Dolby、DTS 等eARC 可回传无损音频。版本兼容接口外形兼容但功能取决于设备版本和线材。HDMI 1.44K30Hz、ARC、以太网通道。HDMI 2.04K60Hz、HDR、18Gbps。HDMI 2.18K60Hz、4K120Hz、48Gbps、VRR、ALLM、eARC。控制与保护CEC 可联动开关设备HDCP 保护版权内容。接口多样标准 HDMI、Mini HDMI、Micro HDMI。典型结构传统 Type-A 的 112 脚就是四组高速差分相关线路1319 脚负责控制、DDC、电源、热插拔和 HEAC。Pin信号作用1TMDS Data2高速差分2Data2 ShieldData2 屏蔽3TMDS Data2−高速差分4TMDS Data1高速差分5Data1 ShieldData1 屏蔽6TMDS Data1−高速差分7TMDS Data0高速差分8Data0 ShieldData0 屏蔽9TMDS Data0−高速差分10TMDS ClockTMDS 时钟FRL 时可作为高速 Lane11Clock Shield屏蔽12TMDS Clock−TMDS 时钟FRL 时可作为高速 Lane13CEC设备控制总线14Utility / HEACARC/HEC/eARC 等用途15DDC SCLI²C 时钟16DDC SDAI²C 数据17DDC/CEC/HEAC GND控制信号地185 VHDMI 辅助电源19HPD / HEAC−热插拔检测兼作 HEACHDMI工作逻辑① 插线↓② Source 提供 5V↓③ Sink 拉起 HPD↓④ Source 通过 DDC 读取 EDID↓⑤ 双方确定分辨率刷新率色深RGB / YCbCrHDR音频能力TMDS / FRL能力↓⑥ 高带宽 FRL 模式进行链路训练等↓⑦ 如果内容受保护 → HDCP认证↓⑧ 建立高速数据链路↓⑨ 视频 音频开始传输二、HDMI外围原理图设计在本设计中需要HDMI来传输视频图像只需4K60选用标准HDMI (Type A)连接器即可1.参考原理图如下2.注意三对差分高速信号和一对时钟信号采用esd73034d来做静电防护它本质上是一个电路保护芯片当接口线路遭遇静电ESD或浪涌电压时它能迅速将过高的电压钳位在安全水平并将瞬时大电流泄放掉从而保护后级敏感芯片不被击穿。此外这款芯片的结电容只有0.13pF对信号完整性影响极小。1319 脚中负责eARC、DDC、HPD热插拔和 CEC采用ESD保护二极管esd5341n保护高速数据接口低速线SCL、SDA、HPD用的 ESD5341N 就没有这么苛刻的要求免受静电放电ESD损坏而设计区别于上面这款芯片的是它是一款单通道保护器件。DDC这是一路 I²C板子通过它读取显示器的 EDID从而知道显示器支持哪些分辨率。CEC 和 eARC本设计不用CEC 用于电视遥控联动。 eARC 用于电视把声音传回板子它借用了 14 脚以及 19 脚和 HPD 共线所以 HPD 那里才要串 1.2k 做隔离。HPD显示器插上后会把座子 19 脚拉到约 5V电压先经 R3111.2k进来R31347k是下拉保证没插显示器时读到的是低电平。然后经过两颗 NMOS管2SK3018Q16、Q15每一级都会把电平反相一次两级下来极性不变。同时电平被转换成 1.8V送到 HDMITX0_HPDIN_M0系统据此判断显示器插上了。对于NMOS管2SK3018的选择关键在于——————Vgs(th) 最大值HPD两级MOS原理由于SoC 引脚1.8V IO要读成插上了分压后的电压必须落在 1.2–2.1V 这个窗口19 脚的电压可能是 2.0–5.3V 之间的任何值但是如果采用分压电阻分压电阻在 1.8V 域里凑不出合适的比例,k 取小了低电压那头读不到取大了高电压那头超压.假设用分压比 k 把 19 脚电压降到 1.8V 域19 脚最低 2.0V 时分压后必须高于 1.8V IO 的高电平门限约 1.2V所以 k ≥ 0.6。19 脚最高 5.3V 时分压后不能超过 IO 的耐压约 1.8V 0.3V 2.1V所以 k ≤ 0.4。k 不可能同时满足 ≥ 0.6 和 ≤ 0.4。换句话说用分压2.0–5.3V 的整个范围兼顾不了。MOS为什么可以?MOS 不是按比例缩小而是一个开关19 脚电压只要超过约 1VMOS 就导通低于这个值就关断。输出电压和输入是多少无关只由上拉电阻决定永远是 0V 或 1.8V。电路里的电压和电流HDMI0_TX_HPD_PORT栅压 19 脚电压 × 47k ÷ (1.2k 47k) ≈ 0.975 × 19 脚电压。19 脚为 2.0V 时栅压约 1.95V为 5.3V 时约 5.2V。从电视 HPD 取的电流 ≈ 5V ÷ 48k ≈ 0.1mA。电视端的 HPD 一般经 1k 驱动压降只有约 0.1V影响可以忽略。差分信号电路分析对于传统 TMDS显示器靠源端吸电流来建立电平HDMI 2.0 及以前的 TMDS 标准是这样规定的显示器接收端在每根线上接 50Ω 电阻上拉到 3.3V发送端是一个电流开关直接连在线上往地里吸约 10mA 电流3.3V ─ 50Ω ─┬─ 线 ─── 发送端开关吸电流接地显示器内吸电流时线上电压 3.3V − 50Ω × 10mA 2.8V不吸电流时线上电压 3.3V所以每根线在 2.8V 和 3.3V 之间跳动平均直流电平约 3.0V。HDMI 规范对这个直流电平有明确要求但是由于本设计中HDMI是挂载在RK3588上的对于RK3588 的 HDMI 发送器只支持 AC 耦合所以每根线上都串了 220nF 电容。电容隔断了直流显示器那边的 50Ω 上拉就没有电流可流了线上的直流电平会停在 3.3V。这不符合规范要求的约 3V有的显示器会识别不到信号或者工作异常。所以在电容的座子侧接499R到地就模拟出了传统发送端的平均吸电流电流 3.3V ÷ (50 499)Ω ≈ 6mA线上直流电平 3.3V − 50Ω × 6mA ≈ 3.0V高速信号经电容过去直流电平由 499Ω 来建立两者互不干扰。采用 MOS 管WNM6002-3/TR串在 499Ω 下面当开关TMDS 模式下导通关闭或 FRL 模式下断开WNM6002-3/TR参数要求Coss 7.33pFMOS 关断时起作用FRL 模式下 MOS 关断目的是把 499Ω 这条对地支路断开。但关断的 MOS 漏极对地仍然有 Coss 这个电容高频信号可以经 499Ω 再经 Coss 漏到地。以 FRL 12Gbps 为例基频约 6GHz7.33pF 的容抗只有1 ÷ (2π × 6GHz × 7.33pF) ≈ 3.6Ω也就是说对高频信号来说这个断开其实不彻底。Coss 越大关断效果越差线路上的损耗和反射也越大