基于HDMI开关PS321的应用设计

随着消费类电子功能需求的增加，HDMI作为新一代的数字音视频接口越来越多的应用到消费类电子产品上。带HDMI功能的电子产品大量问世，HDMI的接口数量也随之增加。数字电视作为音视频表现的一种载体，其HDMI接口的应用主要作为数字音视频数据的接收端。为了能使数字电视连接更多的HDMI设备，许多集成电路设计公司都适时推出了三选一或四选一的HDMI开关，用于满足HDMI接收端多接口的需求。本文主要介绍基于Parade公司的一款三选一HDMI开关PS321的应用设计。

硬件设计

1 芯片选型

PS321作为一款三选一的HDMI开关，与其他厂商相类似的产品相比较具有较多优势。将PS321与另一款通用的三选一HDMI开关进行比对，结果如表1所示。


从以上比对中可以看出PS321具有以下优势。

● 在数据传输率、HDMI线传输距离、节能以及ESD（防静电）方面具有优势；

● 支持I2C控制，方便设计者使用；

● 内置EDID缓存，无须在HDMI接口上外加用来存储EDID数据的E2PROM，从而降低电路成本；

● 内置均衡器，可调节增益，用来弥补HDMI信号在线路上的传输损失。

2 电路设计

①DDC接口电路设计

DDC（显示数据通道）主要用于HDMI源端设备（Source）与接收端设备（Sink）之间进行EDID数据及HDCP密钥的交流。通过EDID交流，源端设备可以了解到接收端设备音视频的接收能力；通过HDCP Key的交流，可以实时的进行数据流的内容保护认证，从而达到数据内容保护的目的。DDC的电路方式与I2C电路相同，因此在DDC电路设计中，设计者要考虑到DDC线路的电平。按照HDMI 1.3a规范，HDMI源端DDC的上拉电阻最小为1.5kΩ，考虑到HDMI认证中DDC电平的要求（在 4.5～5.5V之间），将DDC信号均通过10kΩ的电阻上拉到HDMI接口的第18引脚（HDMI源端5V电源），如图1所示。经计算，源端与接收端的DDC总上拉电阻的最小值为R总上拉min =1.5kΩ‖10kΩ=1.3kΩ。经测试，接收端DDC的电平约为4.68V，因此满足HDMI认证要求；而DDC总上拉电阻的最小值 1.3kΩ也满足I2C的规范。

图1 DDC接口电路图 由于PS321的DDC内部有弱上拉，当HDMI接口未接HDMI源设备时，DDC内部的上拉电平会通过10kΩ的电阻传递到HDMI接口的第18引脚，导致HDMI接口的第18引脚电平大于1.5V，不满足HDMI认证要求。因此需要将HDMI接口的该引脚接一个3.6kΩ的电阻到地。经测试，当HDMI接口未接HDMI源设备时，HDMI接口的第18引脚电平约为0.5V，满足HDMI认证要求。 ②均衡器设计 均衡器设计主要是针对弱信号做必要的信号整形，以保证HDMI数据传输的完整性。在I2C工作方式下，可通过寄存器来设置均衡器的增益大小。3个HDMI输入端口的均衡器增益大小可以分开调节，如表2所示。设计者可以通过3个HDMI输入端口信号的损失情况来决定采用哪一挡。 进行如下测试：准备两根HDMI线，一根长5m，一根长10m，在均衡器增益均为默认值下同样传输2.25Gb/s数据率的信号，得到如图2所示的数据眼图。经比对，10m长的传输眼图的面积比5m的小，但还不影响传输信号的完整性。设计者在使用均衡器设计时，需要判断信号的强弱以决定采用哪一挡的增益。目前在电视设计中经常遇到需要一个侧置的HDMI接口，而HDMI开关通常在主板上，离侧置的HDMI接口有一段距离。当然此距离一般不会超过1m，采用标准的HDMI线不会影响到信号质量，但是如果采用普通的连接线就可能造成信号失真。此时需要通过适当提高均衡器的增益大小，以保证信号传输的完整性。如图3所示。左侧为PS321输入端采集的普通连接线的传输信号，可以看到眼图面积变小，信号的损失很大；右侧为经过PS321提高均衡器的增益后采集的传输信号，可以看到信号经整形后恢复完整性。 图2 2.25Gb/s数据率的传输眼图 图3 提高均衡器的增益以保证信号传输的完整性 ③TMDS信号的PCB设计 HDMI数据流以TMDS信号形式传输，包括三对差分数据线和一对差分时钟线。根据HDMI 1.3a规范，要求TMDS差分阻抗为100Ω±15％。如果按照两层PCB来设计，如图4所示。经计算，两层PCB的厚度为61.2＋1.9 ＋1.9＝65mil，约为1.6mm；PCB板材的介电常数为4.2。根据TMDS差分阻抗为100Ω的目标要求，将以上参数带入差分阻抗计算软件 Polar Si9000中计算，将得到PCB设计的指导参数，如图5所示。 图4 双层PCB架构