HDMI接口的PCB设计

1、定义。

HDMI的全称是HighDefinitionMultimedia，即高清多媒体接口。

HDMI在针脚上与DVI兼容，但仅使用其他软件包。与DVI相比。HDMI可以传输数字音频信号，增加了对HDCP的支持，并提供了更好的DDC选项功能。HDMI最多可传输15米，能够处理1个1080p视频和1个8声道音频信号。HDM1支持EDID、DDC2B，因此HDMI中的设备具有“即插即用”功能，可以在信号源和显示设备之间自动“协商”，自动选择最合适的视频多路器格式。一对时钟差异，三对数据传输差异。

2、线路设计要求。

尽可能保持HDMI连接器和零件之间的电气长度最小，从而最大限度地减少衰减。

为了确保差异信号正常发送，一对两行间隔在整个路径轨迹上必须匹配。否则，间隔变化会导致磁场耦合不平衡，从而降低磁场消除效果，增加EMI。建议的线宽间距比率为1:1 "w3360s" 1: 2。

因为不同电气长度的线路会导致信号之间的相互移动，并引发严重的EMI，理想情况下，四对差分线路长度必须相同，才能确保信号传输的定时匹配。下图显示了长度相同或不同的行走的逻辑状态。

4组差分线最好在5mil范围内，对的差分误差最好在10mil范围内。同时，对对之间的间隔要求为15mil，如果空间允许，则尽可能拉出以减少串扰。(莎士比亚，哈姆雷特，空间，空间，空间，空间，空间，空间，空间)。

等长补偿方法：

a、在差分线端点不一致的地方布线。

b、差等长绕线Gap宽度符合4W，A的长度是线宽度的3倍。

相邻的GND层步行，如果空间充足，则进行包装处理。包装纸线是差分线间距的3倍(中心到中心)，铜在差分线20毫升处包装。

在信号交换层的孔附近放置接地的孔，提供离信号最近的电路。

3、阻抗设计要求。

差动阻抗控制为100欧姆(/-10%)，单端导线控制为50欧姆。

PCB设计的目的是尽可能减少不连续阻抗，消除反射，保持信号不变。剩下的不可避免的不连续性必须聚集在一起。也就是说，必须保持此区域的面积较小，并尽可能接近地放置。这个想法是把每个反射点集中在一个区域，而不是整个信号路径(特别是等长补偿方法)。

可能出现不连续性的位置包括：

a、HDMI连接器焊接盘和信号轨迹相遇；

b、信号线接触孔、电阻器零件盘或IC销。

c、信号对分离的地方，以便在物体周围布线；

信号线的匹配电阻进行ESD预防和阻抗用途微调，通常放置在插座附近，但两个电阻必须并排放置，而不是前后放置。

使用坚固的电源和接地层，控制100阻抗和最大限度地减少电力噪声，也就是说，为了避免发生分裂，差分线下必须是完整的参考平面。

使用可能最小的信号线超孔和HDMI连接器焊接磁盘，因为它们是100差分阻抗

产生的影响较小。较大的过孔和焊盘可能会导致阻抗下降。推荐使用过孔8mil/16mil，或者8mil/18mil。

4、ESD处理

ESD器件一定要靠近HDMI的端子放置。但也不要放置太近，考虑工艺要求，避免在焊接HDMI座子的时候容易造成HDMI焊盘与ESD器件焊盘连锡的情况。间距为一个烙铁头的厚度即可。

HDMI接口的4层PCB板布线指南

一、聚酯胶片PCB的选择

尽管对于PC主板来说，高精度的2116材质FR4的4层PCB是主流，但是如果需要进行精确的阻抗控制，则其费用也是不菲的。因而对于HDMI应用来说，不推荐采用此板材，取而代之的是采用中等精度的1080+2116板材或者是低精度的2116+7628板材。对于不同的板材，走线宽带和间距必须做出相应的调整，使其做的阻抗匹配，下面列出了PCB叠层相关的尺寸。

表1：推荐的PCB聚酯胶片板材

通常，PCB厂家能够将线宽和线距控制在±1-mil，然而对于HDMI连接器、IC器件等附近区域，最好能够控制在±0.5mil，以减少偏移。

二、推荐走线长度

为了防止信号反射，信号线的长度不允许超过下面两个约束条件所计算出的走线长度。

1.小于信号波长（λ）的1/16，信号波长与信号频率之间的关系由以下公式来确定。

这里εR=4.3~4.7，对于FR4材质μR~1

比如，对于运行于FR4板材，信号频率为1.25GHz，其走线长度计算结果如下：

推荐长度《（1/16）λ=“”？=“”280=“”》

2.信号上升沿的1/3长度，其长度l定义为

这里l为信号上升沿的长度，单位inchTr为信号上升沿时间，单位ps

D为信号延时，单位为ps/inch

对于FR4板材，其延时为180ps/inch，对于HDMI信号，Tr为200ps，其计算结果不能超过370mil，即：

如果信号线太长的话，那么最好将线宽和线距加大，以后线宽和线距加大后，其阻抗连续性更容易控制。详细的线宽和线距的选择请参考表1.

三、微带线stub效应

stub将会给PCB走线增加电抗，并且减少走线的阻抗，对于HDMI走线，存在任何的stub都是不完美的。如果一个openstub是1/2波长，则其就等效于走线上的一个对地电容。而如果shortstub是1/2波长，其相对于在一个走线上加上一个电感。

如果stub是不可避免的话，那么必须将其控制在信号上升沿的1/6。经验告诉我们，对于200-ps的HDMI信号，stub的长度不允许超过1/6×200ps=33ps。

四、焊盘和过孔相关补偿

焊盘和过孔往往造成走线的不连续性，其结果使得走线阻抗降低。在器件下面的低平面挖出适当的孔，其有助于减少焊盘或过孔与地平面之间的电容，从而有利于补偿走线的阻抗损失。挖出空白尺寸的大小参考Section（A）里面的（i）-（iv）。

HDMI连接器焊盘之间也许会相互影响，为了达到相应的阻抗，并建立合理的信号路径，其参考平面，HDMI连接器推荐的地平面如Section（A）里面的（v）。Section（B）是推荐的案例。

Section（A）：地平面推荐的挖空尺寸

下面的案例基于1080+2116的聚酯胶片，差分线线宽为8.0mil，线距为9.3mil。其相关地平面的挖空尺寸如下。

（i）ESD或者上拉0603电阻焊盘下面挖空情况

图3.ESD或者上拉0603电阻焊盘下面挖空情况

（ii）ESD或者上拉0402电阻焊盘下面挖空情况

图4.ESD或者上拉0402电阻焊盘下面挖空情况

（iii）HDMI相关器件下面挖空情况

图5.HDMI相关器件下面挖空情况

（iv）过孔下面挖空情况

图6.过孔下面挖空情况

（v）HDMI连接器下面的挖空情况

图7.HDMI连接器下面的挖空情况

Section（B）：PCB相关区域约束情况

在实际情况下，在走线时是需要考虑PCB的空间问题的，所以在连接ESD器件和上拉电阻时，需要用到过孔和stubs，且需要在底层走线。下面的参考案例里面，包含了ESD器件、过孔和上拉电阻。

图8.带有ESD器件、过孔和上拉电阻的PCB走线情况

五、建议走线

1.尽可能的将过孔靠近HDMI连接器放置

当信号从HDMI连接器到HDMI焊盘时，由于电气上的改变，使得阻抗相应的增加，这种阻抗的增加刚好可以补偿HDMI边上过孔说造成的阻抗损失。由于过孔太靠近HDMI连接器，这将使得HDMI连接器周围没有足够的空间去走100Ω的差分线，这是将用50Ω的单端走线来代替，当必须保证此单端线足够的短。移除HDMI信号和时钟焊盘下面的地平面。

2.尽可能的采用小封装的上拉电阻和ESD器件

0402封装与0603封装相比，具有更小的焊盘，使其在阻抗上具有更小的损耗。

3.采用9mil线宽和11mil线距的差分走线如果走线够宽，则其阻抗更好的控制。

4.采用尽可能短的stubs

ESD保护器件、过孔和上拉电阻之间的stub尽可能的短，不能超过信号上升沿的1/6。

5.移除电阻焊盘和过孔下面的地平面此挖掉的孔必须要足够大，确保能够覆盖ESD器件焊盘、过孔和上拉电阻焊盘和所有的HDMI连接器上信号焊盘。其参考如下图9。

图9.ESD器件、过孔和上拉电阻下面的地平面

来自EDN电子技术设计

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