HMDI 1.4 pcb布线指南

介绍

此常见问题解答提供了在电路板上布置 HDMI 走线的一般指南。我们在论坛帖子中看到的许多问题都可以追溯到路由和布局问题。我在这里介绍的规则和注释是从我多年来设计和见过的各种板中收集的。我无法引用此信息的原始来源，但简单的网络搜索将显示许多涉及此主题的文档。

HDMI 1.4b 规范定义了高达 3 GHz 的信号传输，要求电路板设计人员在布局期间非常小心 HDMI 信号的完整性。以下是一组很好的规则，可让您在 FR-4 PCB 上传输 3 GHz 频率。

首先一些数学

假设我们有一个发送器连接到连接器，并且希望传输时钟速率为 297MHz 的格式。

• Tbit = TMDS 通道上单个位的持续时间
• T 字符 = 10 x T 位
• 时钟=297MHz
• 数据 = 10 x CLK
• FR4 的传播延迟 ~= 6.67ps/mm
• 对内偏差 = 0.15 Tbit
• 面间偏差 = 0.20 T 字符

所以：

• 数据速率 = 10 x 297MHz = 2.97GHz = 336.7ps
• 对内时间偏差 = 0.15 x 336.7ps = 50.50ps
• 线对内距离偏差 = 50.50ps / 6.67ps/mm = 7.57mm

布局规则

布局是关键。以下是一组通用规则，已成为我的电路板布局规范的一部分。它们比上面的数学显示的要紧一些，但在布局过程中很容易满足。这些规则可以作为约束直接添加到原理图或作为布局规范文档的一部分。

1. 每个 HDMI 通道由 4 个 TMDS 对组成。
2. 每个 HDMI 通道集应主要在顶层或底层作为一组进行布线，或者交替在内部层上作为一组进行布线。
3. 每个 TMDS 信号应具有 50 Ω ± 10% 的单端阻抗。
4. 每个 TMDS 对的差分阻抗应为 100 Ω ± 5%。
5. TMDS 对内的信号应具有± 3mm 的匹配长度。
6. TMDS 对内的信号不得有任何 90 度角。角部应倒角。
7. TMDS 信号倒角长度与走线宽度之比应为 3 至 5。
8. 弯曲之间的 TMDS 信号距离应为走线宽度的 8 至 10 倍
9. 每个 HDMI 通道中的 TMDS 对的匹配长度应为 ± 3mm。
10. TMDS 对与相邻 TMDS 对的间隔至少为 1.2 毫米。
11. TMDS 对与相邻的非对信号应至少间隔 7.8 毫米。
12. HDMI 通道组应与其他 HDMI 通道组间隔至少 7.8 毫米。
13. HDMI 通道集应参考相邻的实心接地层。
14. 如果 HDMI 通道集必须过渡到另一个参考接地平面，则必须在通道过渡过孔附近添加接地平面到接地平面的过孔。

制作说明

以下是 PCB 制造图纸上的一组通用说明注释。它们允许 PCB 制造商调整 Gerber 以匹配他们的工艺和材料。

1. 所有信号层的特性阻抗为50Ω±10%
2. 具有 0.192 mm 间隙的 0.127 mm 走线的差分阻抗应为 100Ω ± 10%。供应商可以根据需要调整走线宽度、走线间距和电介质厚度。（本注释仅适用于 TMDS 对，可能需要将额外信息传递给制造商以准确指示哪些迹线是 HDMI 通道集的一部分）

如何处理参考平面过渡

Analog Devices HDMI 组件的设计使得路由可以从设备引脚直接连接到连接器引脚。然而，有时您需要更改 HDMI 路由所在的层，通常会在此过程中更改参考接地平面。过渡过孔应对称放置在路径和地对地过孔中，以处理参考平面跳跃的信号完整性，如下图所示

该特定示例来自八层板，红色迹线位于顶层，蓝色迹线位于底层，深绿色层是与顶层和底层相邻的实心接地层。请注意，过孔对称放置在路径中，间隔 1.14 毫米。另请注意与 2 个走线过孔相邻的 2 个接地过孔。

在此示例中，如果差分对从第 1 层跳到第 3 层，则无需添加接地到接地过孔，因为您没有跳过参考接地层。

最好将差分对过孔的数量保持在最低限度，因为每个过孔都会引入阻抗变化。

沿着走线路径每隔 2 厘米左右缝合接地到接地过孔也是一个好主意。这有助于一般信号完整性控制。

你能走多远？

通常，板上的 HDMI 走线非常短，直接从连接器到接收器/发送器。很多时候我们都会遇到这样的问题：我可以制作多长的 HDMI 走线。HDMI 规范没有定义最大长度，只定义了预期阻抗。只要遵循上述布局规则，您应该能够轻松运行超过 20-30 厘米的 HDMI 走线。如果你小心的话，时间会更长。

静电放电保护

通常会添加 ESD 保护器件来提高 ESD 保护级别。我建议使用信号流过的设备，例如 Semtech RClamp0524。它们允许 HDMI 信号直接在部件下方流动，同时提供低电容 ESD 保护。有许多供应商生产这些类型的低电容 TVS 阵列。

HDMI 差分路由示例

以下是从左侧水平 HDMI 连接器到 ADV7850 接收器端口的 HDMI 路由示例。 

注意事项：

• 从连接器到 ESD 保护并到达 ADV7850 的平稳流程
• TMDS 对中的点动用于均衡线对之间的长度
• 在可行的情况下配对分离
• 配对至非 HDMI 通道信号分离

大局观

设计 HDMI 发送器或接收器板只是整个系统的一部分。您必须始终记住，您经常通过电缆连接到源/接收器。从板到电缆以及从电缆到源/宿的连接是过渡点。大多数 HDMI 连接器的电阻为 100 Ω ± 15%，电缆的衰减与长度成正比。不良的过渡点可能会导致反射，从而导致信号完整性不良。长电缆会衰减信号，从而降低接收器处的摆幅电压，从而使接收到的信号超出规格。所有这些问题在 1080p 或 4K 等更高分辨率下变得更加普遍。

Analog Devices Inc 提供了许多参考板设计，您可以从中复制布局。

我建议使用信号完整性工具来验证 HDMI 走线布局是否符合规范。

免责声明：

• 我在设计 HDMI 电路板时使用了这些指南。它们并不是绝对正确，而是旨在帮助其他设计师了解该做什么和要注意什么。

参考：

• 高清多媒体接口1.4b
• DVP PCB 布局建议