探索TMDS351：2.5 Gbps 3 - TO - 1 DVI/HDMI開關的卓越性能與應用

在數字視頻接口領域，德州儀器（TI）的TMDS351是一款備受關注的3 - 端口數字視頻接口（DVI）或高清多媒體接口（HDMI）開關。今天，我們就來深入探討一下TMDS351的特點、應用以及設計中的一些關鍵要點。

文件下載：tmds351.pdf

一、TMDS351的主要特性

電源供應

• TMDS I/O電源：TMDS I/O采用3.3V固定電源供電，確保了與HDMI 1.3a的兼容性。
• 其他電路電源：HPD、DDC和源選擇電路則由5V固定電源供電，為這些重要電路提供穩定的電力支持。

信號處理能力

• 高帶寬支持：支持2.5 Gbps的信號傳輸速率，能夠實現480i/p、720i/p和1080i/p分辨率，最高可達12位色彩深度，滿足了高清視頻傳輸的需求。
• 低信號偏差：內部的信號處理電路保證了極低的內部和外部信號偏差，其中內部對偏差小于40ps，外部對偏差小于65ps，確保了圖像的清晰和穩定。

封裝與環保特性

• 封裝形式：采用64引腳的TQFP封裝，便于在電路板上進行布局和焊接。
• 環保標準：符合ROHS標準，并且能夠承受260°C的回流焊溫度，適應環保和工業生產的要求。

其他特性

• 集成接收器終端：每個TMDS接收器輸入都集成了上拉至VCC的50Ω終端電阻，無需外部終端電阻，簡化了電路設計。
• 可選擇的接收器均衡：提供了兩種級別的接收器輸入均衡，以適應不同長度的輸入電纜，確保信號的質量。

二、TMDS351的應用場景

TMDS351的高性能使其在多種數字視頻設備中得到廣泛應用，主要包括數字電視和數字投影儀等。在這些設備中，它可以實現多個DVI或HDMI端口的切換，為用戶提供更多的信號輸入選擇。

三、TMDS351的詳細工作原理

端口切換功能

TMDS351允許最多3個DVI或HDMI端口切換到單個顯示終端。每個端口支持四個TMDS通道、一個熱插拔檢測器和一個數字顯示控制（DDC）接口。通過控制引腳S1和S2的不同電平組合，可以實現不同端口的選擇和特定功能的開啟。例如，當S1為高電平且S2為低電平時，所有輸入終端斷開，TMDS輸入呈高阻抗狀態，內部MOSFET關閉以禁用DDC鏈接，所有HPD輸出連接到HPD_SINK，從而啟動HDMI物理地址發現過程。

信號處理與均衡

• 終端電阻：內部集成的50Ω終端電阻確保了信號的匹配和穩定傳輸。同時，通過從VSADJ引腳外部連接一個精密電阻到地，可以設置差分輸出電壓，使其符合TMDS標準。
• 接收器均衡：每個TMDS接收器都擁有頻率響應均衡電路，提供兩種級別的輸入均衡，以適應不同長度的電纜。當EQ設置為低電平時，接收器適用于符合HDMI 1.3標準的電纜；當EQ設置為高電平時，適用于10米長的28 AWG HDMI電纜。

四、設計中的關鍵注意事項

電源供應設計

• TMDS電路電源：為TMDS電路和輸出終端電壓提供相同的3.3V電源，有助于減少ESD保護電路的泄漏電流。在數字電視處于待機模式時，統一控制3.3V電源的開關，可以進一步降低設備和接收器的泄漏電流。
• 備用電源：5V的備用電源VDD為HPD、DDC和大部分控制邏輯供電，確保在待機模式下這些電路仍能正常工作。

TMDS輸入設計

• 輸入均衡：利用可選擇的頻率響應均衡電路，支持短距離和長距離電纜連接。根據不同的電纜長度，合理設置EQ引腳的電平，以獲得最佳的信號質量。
• 輸入故障保護：由于TMDS輸入沒有內置故障保護電路，為了防止輸出振蕩，可以通過外部偏置輸入引腳。例如，將一個引腳通過1kΩ電阻上拉至VCC，另一個引腳接地。

TMDS輸出設計

• 輸出擺動控制：推薦使用4.02kΩ的10%精密電阻來控制輸出擺動，使其符合HDMI標準的400mV至600mV范圍（典型值為500mV）。
• 待機模式：在待機模式下（S1為高電平且S2為低電平），TMDS輸出呈高阻抗狀態，減少了不必要的功耗。

HPD和DDC設計

• HPD引腳：HPD電路由5V電源供電，輸出5V TTL信號，典型輸出電阻為1kΩ，無需外部1kΩ電阻。選中源端口的HPD輸出跟隨HPD_SINK輸入的邏輯電平，未選中的HPD輸出保持低電平。在待機模式下，所有HPD輸出跟隨HPD_SINK。
• DDC通道：DDC電路由5V電源供電，I/O引腳可直接連接到5V終端電壓。推薦在SCL1、SCL2和SCL3引腳上使用47kΩ上拉電阻到5V，SDA引腳則不需要上拉電阻。

布局設計

• 高速差分信號：TMDS的高速差分輸入是設計中的關鍵路徑，需要保持100Ω的差分傳輸線阻抗，確保信號的穩定傳輸。
• 接地平面：在高速I/O下方保持不間斷的接地平面，減少信號干擾。
• 信號路徑：盡量縮短連接器和設備之間的TMDS信號走線長度，降低信號損耗。

五、TMDS351在不同CEC鏈接需求系統中的應用

支持被動CEC鏈接的DTV

在這種情況下，DTV本身不具備處理CEC信號的能力，但允許CEC信號通過CEC總線。源選擇由DTV的控制命令完成，用戶無法通過CEC總線上的音頻/視頻產品強制發出命令。選中的源在接收到斷言的HPD信號后讀取E - EDID數據，微控制器通過S1和S2引腳在切換源時加載不同的CEC物理地址。

支持主動CEC鏈接的DTV

• CEC功能要求：所有源必須有自己的CEC物理地址，以支持CEC鏈接的完整功能。源在接收到HPD反饋的邏輯高電平時，讀取其E - EDID內存中存儲的CEC物理地址。當HPD為高電平時，保持分配給接收器的CEC物理地址；當HPD為低電平時，源將CEC物理地址值設置為(F.F.F.F)。
• 不同耦合方式的源處理
  • 交流耦合源：當源的TMDS線為交流耦合或無法檢測到接收器提供的TMDS終端時，源選擇的指示只能來自HPD信號，此時TMDS351的HPD1引腳應直接作為HPD信號反饋給源。
  • 直流耦合源：有兩種方法通知源它是接收器的活動源，一是檢查來自接收器的HPD信號，二是檢查接收器中的終端條件。在全CEC操作模式下，HPD信號為高電平，無論端口是否被選中，源都會加載并保持CEC物理地址。

待機模式下的E - EDID讀取配置

• 默認情況：在DTV系統處于待機模式時，由于1kΩ下拉電阻使HPD_SINK輸入保持邏輯低電平，所有HPD引腳輸出邏輯低電平，源不會讀取E - EDID數據。
• 特殊需求配置：如果需要在系統待機模式下讀取E - EDID數據，可以按照以下步驟操作：首先，為TMDS351的VCC和HDMI接收器的TMDS線終端提供相同的3.3V電源；然后，關閉VCC，保持VDD開啟，此時TMDS電路關閉，但HPD、DDC和源選擇電路仍然活躍；最后，設置S1和S2選擇允許讀取E - EDID內存的源端口。

六、總結

TMDS351作為一款高性能的DVI/HDMI開關，憑借其豐富的功能和出色的性能，在數字視頻設備領域具有廣泛的應用前景。在設計過程中，充分考慮其工作原理和各種特性，合理進行電路設計和布局，可以確保設備的穩定運行和高質量的視頻傳輸。希望通過本文的介紹，能為電子工程師們在使用TMDS351進行設計時提供一些有價值的參考。大家在實際應用中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區交流分享。