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接口作為主流數字音視頻傳輸接口，其可靠性面臨嚴峻挑戰。據統計，消費電子領域約35%的HDMI接口故障由靜電放電（ESD）和浪涌沖擊引起，這類電氣過應力（EOS）損壞直接影響設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. 用戶市電環境瞬態脈沖的耦合能量能量，會通電源間的LDO和DC-DC芯片傳導到下一級電路（MCU/IC）

2. 設備開關電源Y電容的設計不同，設備間電源GND與GND存在的壓差，帶電狀態下的插拔引起的瞬態電流泄放。

在項目研發測試驗證階段，EMC環境測試是必不可少的，大多產品都滿足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的測試電壓要求，目前國內廠商也逐步跟進。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？

響應時間

正常工作狀態浪涌保護器件是不會動作的，當外界瞬態脈沖達到保護器件的觸發電壓才會開啟。所以，響應時間越長，電子設備暴露在電壓尖峰下的時間就越長，IC的風險越高。不同的芯片結構界面設計，其響應時間更會略有差異，理想的響應時間小于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。你會發現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。Ipp數字越高，說明器件能吸收瞬態電流的能力越強。

寄生電容

在HDMI/DP/USB相對高速率的應用中，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量風險。不同速率條件下對保護器件的寄生參數要求也不同，所以選型中要特別關注。

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問題。表1給出 了HDMI接口防護方案參數和浪涌能力評估結果。

表1：HDMI應用ESD+浪涌防護方案

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

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