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。