HDMI高速接口EMI问题改版建议

     高清晰度多媒体接口（HDMI）已成为当今数字消费电子产品的标配功能。HDMI接口能够以超过5 Gbps的速率高精度、高可靠性地传输大容量数据。随着互连数据速率的不断提升，其I/O时钟在高驱动强度下产生的辐射发射对电磁干扰（EMI）合规性提出了挑战。而对于这么高的速率接口在实际使用之中，它的EMI问题的出现往往会造成系统问题。这篇文章选择某PCB上观察到的HDMI相关EMI问题，以及最终提出缓解此类问题的技术方案，这个优化的角度将从全局板级视角提出系统性解决方案的研究，该方案涵盖信号走线优化、电源布线改进、板周接地屏蔽层添加以及离散元件配置以抑制EMI辐射，这些方法不仅适用于HDMI设计，还可以扩展至其他高速接口互连设计的EMI缓解。

     选择的板子是某SOC芯片系统应用的Demo板，这个板子可以支持广泛的客户应用，在评估的时候，该系统板也实现了多个SoC功能模块的布局设计，PCB上的高速接口包括USB、DisplayPort（DP）和HDMI。在实际PCB设计的时候，各接口模块间保持充分隔离以最小化串扰。其中的HDMI接口采用TMDS信令实现，，包含一个时钟通道和三个数据通。

下图显示了板子默认状态下的辐射发射测量结果及CISPR限值。图中可见多个频点（如约440 MHz、640 MHz和800 MHz）超出标准限值。经排查，HDMI端口及其外围电路是主要干扰源，同时更换HDMI电缆后辐射仅改善2~4 dB，表明需进一步优化布局设计。    

     如下是对这个板子从信号本身质量角度的一些优化方式：

1）差分对长度匹配

检查默认板的差分对走线仅端到端匹配，后续修改为逐层匹配。HDMI时钟p/n走线在顶层存在超过50mil（约1.27mm）的失配，这种失配会产生显著的共模噪声，影响EMC性能。后续将失配控制在3mil以内。

2）HDMI连接器优化

下图展示了对HDMI连接器的改进。信号走线位于顶层，导致“引脚stub”形成短单极天线，将信号走线改至底层，消除了stub。Rev-0为默认版本，Rev-3为修改后的版本。    

3）滤波方案升级

Rev-3在Rev-0的共模扼流圈（CMC）基础上增加了铁氧体磁珠（下图），铁氧体磁珠作为无源低通滤波器，对高频信号呈现高阻抗，可有效衰减高频EMI噪声，而CMC仅抑制共模电流。    

4）添加AC耦合电容

Rev-3在差分对的p/n线间添加了0.5pF电容（数据/时钟）和220 Ω电阻（时钟）（下图）。电阻通过耗散差分时钟信号能量降低辐射，电容则在高频段“短路”差分对，进一步抑制发射。    

     下面将从电源完整性的角度再来看看还有哪些方面可以操作：

1）接地屏蔽

下图展示了在所有层添加的环绕板周的接地屏蔽墙。该设计通过通孔连接各层接地，为平台噪声提供直接接地路径。    

2）电源网络优化

V3P3_S电源轨是EMI主要来源之一。通过在其旁添加接地缝合屏障（上图所示），并尽可能加宽电源平面，降低了有效电感和电阻。

3）接地焊盘改进

下图显示了Rev-3将接地安装孔从“spoke”金属定义焊盘改为“solid”阻焊定义焊盘，以改善接地回流并减少对邻近结构的辐射。    

通过合入上述所有改进措施使Rev-3板的EMI性能显著提升（下图）。此外，更换HDMI电缆后的测试结果重复性提高，表明接口敏感性与PCB布线策略密切相关。

     大家可以看到对EMI系统板进行了系统性优化PCB高速互连EMI性能的设计方法，涵盖信号走线、电源布线、接地屏蔽及AC耦合电容配置。实施改进后，Rev-3板在全频段通过测试，EMI噪声水平降低超过10 dB。相关方法不仅适用于HDMI设计，也可为其他高速板级设计提供EMI缓解参考。