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(lái)，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(lái)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(fèi)電子展）展會(huì)上，HDMI Forum, Inc（亦可稱為HDMI論壇或HDMI管理委員會(huì)）正式對(duì)外宣布，即將推出HDMI標(biāo)準(zhǔn)的2.2版（圖1）。這一全新的HDMI 2.2標(biāo)準(zhǔn)的推出，標(biāo)志著HDMI技術(shù)的又一次重大進(jìn)步。

隨著4K/8K超高清視頻傳輸需求的增長(zhǎng)，HDMI接口作為主流數(shù)字音視頻傳輸接口，其可靠性面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，消費(fèi)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(yàn)。

圖1.2025年推出HDMI2.2標(biāo)準(zhǔn)

浪涌來(lái)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(huì)通電源間的LDO和DC-DC芯片傳導(dǎo)到下一級(jí)電路（MCU/IC）

2. 設(shè)備開關(guān)電源Y電容的設(shè)計(jì)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(xiàng)目研發(fā)測(cè)試驗(yàn)證階段，EMC環(huán)境測(cè)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(jī)測(cè)試；但對(duì)于信號(hào)線的浪涌沒有引起重視，海外廠商針對(duì)HDMI/DP/USB信號(hào)的浪涌測(cè)試有廠內(nèi)的測(cè)試電壓要求，目前國(guó)內(nèi)廠商也逐步跟進(jìn)。從IEC61000-4-5標(biāo)準(zhǔn)（圖2）電壓波形和電流波形持續(xù)時(shí)間看，電壓波形和電流波形均為us級(jí)別，泄放能量遠(yuǎn)大于ns級(jí)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(cè)試波形

ESD器件選型中，需要注意哪些參數(shù)？

響應(yīng)時(shí)間

正常工作狀態(tài)浪涌保護(hù)器件是不會(huì)動(dòng)作的，當(dāng)外界瞬態(tài)脈沖達(dá)到保護(hù)器件的觸發(fā)電壓才會(huì)開啟。所以，響應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，電子設(shè)備暴露在電壓尖峰下的時(shí)間就越長(zhǎng)，IC的風(fēng)險(xiǎn)越高。不同的芯片結(jié)構(gòu)界面設(shè)計(jì)，其響應(yīng)時(shí)間更會(huì)略有差異，理想的響應(yīng)時(shí)間小于1ns。

箝位電壓

箝位電壓是保護(hù)器件將電流泄放后兩端的壓降，鉗位電壓越低，對(duì)下一級(jí)芯片或電路的保護(hù)水平越好。你會(huì)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(dá)幾十V，而半導(dǎo)體制程的保護(hù)器件電壓會(huì)更接近受保護(hù)信號(hào)的最大電壓，能起到更好的保護(hù)效果。

能量吸收/耗散

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

寄生電容

在HDMI/DP/USB相對(duì)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(duì)于信號(hào)的上升沿和下降沿延時(shí)越高，在信號(hào)分析儀測(cè)試眼圖時(shí)會(huì)有信號(hào)質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。不同速率條件下對(duì)保護(hù)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(cè)試

TDR測(cè)試目前主要使用于PCB(印制電路板)信號(hào)線、以及器件阻抗的測(cè)試，比如單端信號(hào)線，差分信號(hào)線，連接器線纜等。HDMI差分阻抗控制要求100Ω±10%，設(shè)計(jì)中要求ESD器件對(duì)阻抗影響越小越好，TDR評(píng)估ESD保護(hù)器件在插入PCB中對(duì)阻抗，是對(duì)信號(hào)要求的一個(gè)重要指標(biāo)，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(lái)的阻抗突變。

圖3：DFN2510-10L貫穿layout圖

揚(yáng)杰推出了針對(duì)信號(hào)線高浪涌防護(hù)能力的ESD器件，適用于客戶的不同測(cè)試要求，應(yīng)用此方案以降低HDMI接口芯片失效問題，同時(shí)減少客戶返修的帶來(lái)的品質(zhì)問題。表1給出 了HDMI接口防護(hù)方案參數(shù)和浪涌能力評(píng)估結(jié)果。

表1：HDMI應(yīng)用ESD+浪涌防護(hù)方案

總結(jié)：浪涌測(cè)試有助于確保系統(tǒng)的彈性和可靠性。通過對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行浪涌測(cè)試，您可以識(shí)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(diǎn)。

關(guān)于揚(yáng)杰

揚(yáng)州揚(yáng)杰電子科技股份有限公司是國(guó)內(nèi)少數(shù)集半導(dǎo)體分立器件芯片設(shè)計(jì)制造、器件封裝測(cè)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(hù)器件、小信號(hào)等，為客戶提供一攬子產(chǎn)品解決方案。
公司產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于汽車電子、清潔能源、工控、5G通訊、安防、AI、消費(fèi)電子等諸多領(lǐng)域。公司于2014年1月23日在深交所上市，證券代碼300373，相信在您的關(guān)懷支持下，我們一定能夠成為世界信賴的功率半導(dǎo)體伙伴。