HDMI(高清多媒体接口)是一种全数字化视频和声音发送接口，可以发送未压缩的音频及视频信号，广泛应用于消费类产品上，如机顶盒、DVD播放器、个人计算机、电视等设备。HDMI 2.1标准由HDMI协会在2017年正式发布，其关键改进在于将视频信号传输速率从HDMI 2.0的18Gbps大幅跃升至48Gbps，同时支持的分辨率上限由4K升级至8K。
随着科技水平的提高，HDMI电路制造商不断致力于微缩其元器件内的晶体管、连接线路及绝缘层的极限尺寸，以此实现高速电子元件的小型化设计。虽促进了设备结构的紧凑化，却也引发了器件因击穿效应导致的损坏风险显著增加这一新问题。HDMI接口作为一种热插拔端口，其设计易受到静电放电的损害，造成内部芯片的损坏，尤其是在与用户终端或带电电缆的连接过程中。湖南静芯推出HDMI 2.1的ESD&EOS防护完整解决方案，在不影响数据传输的前提下满足HDMI兼容性测试规范(CTS)的信号完整性和阻抗要求，让后端的电路得到有效防护。
HDMI接口介绍
HDMI 2.1拥有四组高速差分信号线，支持高达48Gbps的高速数据传输。HDMI 2.0采用传统的三对数据差分对（TMDS Data0, Data1, Data2）搭配一个时钟对（TMDS Clock Pair）的结构，而HDMI 2.1则创新性地采用了类似DisplayPort的FRL（固定速率链路）技术，将4组高速差分信号都定义成Data lane（ Lane0， Lane1， Lane2， Lane3），并直接从信号中提取时钟，这一转变显著提升了数据传输效率。
CEC引脚是与其他HDMI信号分开的电信号，拥有一套完整的单总线协议，电子设备可以使用CEC信号实现由单一遥控器控制所有HDMI连接的装置。该通道允许HDMI设备在没有用户干扰情况下互相命令控制，最多可以控制15个设备。
ARC功能是指HDMI线可直接将数字音频输出到功放上解码，并在音响设备上输出的功能。HDMI 2.1加了eARC功能，eARC就是增强型的ARC。从原本只用14引脚进行传输变成使用14和19两个引脚组成差分传输对，传输速度也从原本的1Mbit/s提高至37Mbit/s，提供更佳的声音品质。因此，14引脚（ARC引脚）和19引脚（HPD）引脚需要连接同一性能的静电保护器件。
SCL引脚和SDA引脚分别作为HDMI接口的DDC时钟和数据通道。通过这两个引脚可让传送端与接收端得知彼此的传送与接收能力，最后可放送出符合电视分辨率的影像画面。
HPD引脚拥有热插拔检测功能，其作用是当显示器等HDMI接口的显示设备通过HDMI/DVI接口与HDMI源端相连或断开连接时，HDMI源端能够通过该引脚检测出这一事件，并做出响应。
图1 HDMI接口引脚配置
表1 HDMI接口引脚功能描述
HDMI 2.1接口防护选型要求
HDMI 2.1接口的静电防护需要在IEC61000-4-2的测试标准下成功通过±8kV的ESD冲击。因此在HDMI 2.1接口上采用ESD保护元件，以有效避免ESD事件对数据传输造成干扰十分必要。当HDMI 2.1接口在选择合适的ESD防护器件时，可以考虑以下要求：
- 高速差分信号通道的速率可达48Gbps（每对12Gbps），每条差分线路上的最大单端工作电压为3.3V，因此放置在这些高速布线上的 ESD保护二极管要求电容足够低，以保持信号完整性并满足HDMI合规标准。
- 由于TMDS I/O引脚的敏感性质，尽量减小钳位电压以实现ESD保护。
- ESD RDYN与电容呈反比关系，增加二极管结面积会降低 RDYN，但会增加二极管电容，这可能会降低信号完整性。二极管电容过大可能会降低信号完整性，所以需要尽量保证保护元件的低电容
HDMI 2.1接口整体应用方案
方案一：
图2整体应用方案一
方案二：
图3整体应用方案二
1.高速差分线D0+/D0-,D1+/D1-,D2+/D2-, D3+/D3-
由于高速差分信号通道在传输大量内容时仍保持极高速度，因此选择合适的ESD防护器件至关重要。我们推荐使用湖南静芯的深回扫型ESD器件SEUCS10F3V4B。SEUCS10F3V4B是一款保护高速数据接口的超低电容深回扫型ESD保护器件，集成了四对超低电容控向二极管和一个TVS二极管，专门设计用于保护连接到数据传输线的敏感电子元件免受ESD(静电放电)引起的过压，可适用于HDMI 2.1的高速差分信号线防护。
SEUCS10F3V4B器件的工作电压为3.3V，结电容仅为0.12pF，钳位电压为5.5V，其封装形式为DFN2510-10L，可同时对两对高速数据线进行静电防护，且符合IEC 61000-4-2 (ESD)规范，在±15kV（空气）和±15kV（接触）下提供瞬变保护。
图4 SEUCS10F3V4B器件眼图测试结果
2.CEC控制信号通道
在CEC引脚处推荐使用湖南静芯的常规电容ESD器件SENC2F5V1BA作为该通道的静电保护器件。该器件工作电压为 5 V，钳位电压为10V，结电容为15pF，可对单条线路进行静电防护。符合IEC 61000-4-2 (ESD)规范，在 ±30kV（空气）和 ±30kV（接触）下提供瞬变保护。
3.ARC,SCL,SDA,HPD,电源通道
在方案一中，我们推荐采用湖南静芯研发的集成多路ESD静电二极管SEUC236T5V4U，可同时保护HDMI2.1的ARC,SCL,SDA,HPD和电源这五个引脚免受静电放电(ESD)和低等级浪涌事件的冲击与干扰。SEUC236T5V4U共有4个IO引脚，一个超强VCC保护引脚，可同时保护四条数据信号线和一条电源信号线免受ESD(静电放电)引起的干扰而损坏，可适用于DP2.0/2.1等接口的信号线防护。它的工作电压为 5 V，结电容仅有0.6pF，符合IEC 61000-4-2 (ESD)规范，在 ±17kV（空气）和 ±12kV（接触）下提供瞬变保护。
在方案二中，我们推荐使用上文提及的深回扫型ESD静电二极管SEUCS10F3V4B对HDMI2.1的ARC,SCL,SDA和HPD引脚进行保护。电源引脚的静电保护我们推荐湖南静芯研发的高电容1路单向ESD保护器件SEHC16F5V1UB，该器件工作电压为 5 V，钳位电压为14V，结电容为850pF，可很好地保护电源引脚免受静电的干扰。
电气特性表
At TA = 25℃ unless otherwise noted
表2 SEUCS10F3V4B电气特性表
表3 SENC2F5V1BA电气特性表
表4 SEUC236T5V4U电气特性表
表5 SEHC16F5V1UB电气特性表
总结与结论
HDMI接口自问世以来，一直是用于传输视频和音频数据的常用接口之一。随着 HDMI标准的每次更新，制造商都可以借助工艺技术的改进增加数据带宽，并在越来越小的芯片组中添加更多特性。随着尺寸减小，HDMI元件对静电放电等瞬态电压变得越来越敏感，保护HDMI接口免受ESD静电损害极为关键。本方案采用的高速通道保护器件为湖南静芯研发的深回扫型器件，回扫特性ESD防护器件具有超小封装体积、超低钳位电压、超低结电容特性，相比常规工艺 TVS防护效果更优，且不影响信号完整性，可更有效保护高速数据接口免受瞬态过电压的影响，为相关电子产品设备加固防护，提升消费者使用体验。
湖南静芯深回扫型系列ESD器件工作电压涵盖1.0~38V，电流涵盖4~30A，电容最低至0.1pF，封装涵盖CSP、FC及各类封装形式。同时推出22V&33V TDS平缓浪涌抑制器，可用于保护工作电压为20V、24V、28V、36V的系统，具有精准且恒定的触发电压、优异的钳位性能及稳定的温度特性，可为系统提供更全面保护。结合TDS器件与深回扫ESD优势，湖南静芯是国内首家推出USB4.0完整解决方案的公司，详情可以参考：“湖南静芯推出USB4.0&PD3.0的ESD&EOS防护完整解决方案100W+80G/120G”与“湖南静芯推出USB4.0&PD3.1的ESD&EOS防护完整解决方案140W&180W+80G/120G”等文章。