用共模扼流圈控制高清多媒体接口噪音

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 1 引言

在数字家电领域,高清晰度能力的产品发展速度非常迅速,在TV和DVD播放类产品中,全高清类型的越来越普通。近几年来,新开发的可以重放高分辨率的数字摄像机和游戏机中,高清产品同样获得了快速发展。

目前的情况可见,在高清晰度设备中,模拟的D-终端连接器和元器件构建的终端已经作为视频终端被应用。随着高清产品向着更高的分辨率发展,一种被称为数字微分接口即所谓的高清多媒体接口(HDMI)被采用,其特点是可以使数字设备能够传输高速视频信号。HDMI对信号的衰减很小,同时对外部噪音的抵抗能力较强,其本身的噪音辐射也很低。其原因是由于信号线路采用了相互消磁的设计。虽然如此,辐射噪音产生的问题仍然时有发生,例如其内部的集成电路(IC)和外围的电路产生的共模噪音,或者由差分信号转换来的噪音。

在以这类方式产生噪音的情况下,采用一个共模线圈来抑制噪音的方法是非常有效的,因为共模线圈可以抑制共模噪音,但对差分信号的影响很小。然而应该注意的是,由于信号的频率不同,外围电路和元器件不相同,共模扼流圈的选择和贴装也不相同。

借助三组信号线和一组时钟线,HDMI可以同时传输视频和音频信号。图1所示的是一个应用于HDMI的转换最小差分信号(TMDS)的网络图。其最大的数据传输率是10.2bps,其中一组的数据信号频率达到1GHz甚至更高。最初,HDMI接口能够传输的视频分辨率高达1080p或者8位真彩色。HDMI1.3版本的可以传输图像分辨率为1080p或12位深彩色。

图1 HDMI共模扼流圈的工作原理图

2 抑制HDMI辐射噪音的策略

在研究这种方法的过程中,用一根3米长线缆连接两个HDMI设备,测试从1~5GHz的辐射噪音。表1列出了几种不同型号共模扼流圈的规格及其参数,它们分别是同样尺寸(1.25×1.0mm)的DLP11SN900HL2和DLP11SA900HL2,以及2.0×1.2mm尺寸的DLW21SN900HQ2。

表 1 几种共模扼流圈的规格与参数

现在把共模扼流圈在信号线上和时钟线上测试其噪音并因此确定受到的影响。在1080p或12位深色的最高信号频率为1.11GHz上,对数据传输进行评价。图2所示为共模转换特性,特别是Scc21,在此消除的噪音但增加了与其成比例的Scc21的量值,以及差分模式传输特性和影响信号波形跌幅成比例的Sdd21。在此采用共模扼流圈进行评价。

图3所示为使用共模扼流圈后,HDMI辐射噪音的测量结果。从图中可见,这种共模扼流圈图可以抑制1GHz甚至更高频率的噪音。实际上,它对高次谐波有很强的抑制效果。所有这些共模扼流圈应用的效果来讲,噪音在2.22GHz处衰减约为10db。图中还显示出由于使用了共模扼流圈,噪音在3.33GHz和4.44GHz时的衰减呈现多样性。另外,从图中可见,DLP11SN900HL2的噪音抑制效果比其它型号共模扼流圈差,这是因为DLP11SN900HL2的Scc21值在3GHz及更高频率处相对较低,如图2所示。由图2和图3显示结果可见,增加一个在30GHz及以上频率处有10db以上衰减能力的共模扼流圈是必须的。


3 保持高清多媒体接口信号质量

基于与HDMI1.3版本兼容的信号波形评估,就是采用一个视频信号发生器作为信号源,同时用12位的深色信号作为输出信号,评估在这种应用上加一个共模扼流圈和一个普通的静电保护元器件后的信号波形状态。图4所示为各部件安装顺序不同时的波形传输变化情况。在该评估中,我们采用了一个截止频率为3.5GHz的共模线圈DLP11SN900HL2和一个1.0PF的电容器做ESD保护器件。

图5所示的是,当一个截止频率大概是1GHz的共模扼流圈被采用时,HDMI信号波形产生的情况。这时,信号波形失真严重,已经不能满足HDMI标准了。在研究了波形和共模扼流圈的截止频率之后,可以发现,只有截止频率为3.5GHz或更高的共模扼流圈,才能保证有足够的周边来传输12位的深色信号。但是,工程师们应该注意到,因为随着压敏电阻的量值和安装位置的不同,都会影响到静电屏蔽装置的波形传输。


4 共模扼流圈的阻抗匹配

图6所示的是用一个TDR测量仪器测试共模扼流圈的阻抗。零件的阻抗等于传输线的特性阻抗。为了使传输信号没有辐射,阻抗匹配是必须的。图6同时也显示了共模扼流圈用于阻抗匹配的评价,符合HDMI标准要求的100+/-15Ω。由于使用了一个ESD器件的电容器,有时会造成阻抗不能满足标准的需要。在这种情况下,用共模扼流圈加ESD压敏电阻就可以满足阻抗匹配标准了。图7所示为在HDMI接口和1.0PF电容的ESD压敏电阻之间加一个DLP11SN900HL2的阻抗情况。此时的阻抗已经满足阻抗匹配标准了。


5 小结

根据以上所述的评价模式,确定在HDMI1.3版本或12位深色信号的有效噪音抑制措施和方法,并给予了实施。首先,共模扼流圈的Scc21值要高,用来抑制GHz频段的噪音,而且在3GHz或以上频率时,Scc21要高于10db。其次,共模扼流圈的截止频率应高于或等于3.0GHz,以确保足够的眼图信号空间。最后,为了确保抗静电功能,贴装顺序应先安装接口,接着安装ESD器件,最后安装共模扼流圈。但是,阻抗匹配将变得更困难,这是必须注意的问题。

在HDMI上加共模扼流圈的评价实验,都应考虑接口标准、信号频率和周边电路,用以确定对噪音抑制的影响。

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