HDMI接口设计

高清多媒体接口（High Definition Multimedia Interface，HDMI）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。

 HDMI可用于机顶盒、DVD播放机、个人计算机、电视、游戏主机、综合扩大机、数字音响与电视机等设备。HDMI可以同时发送音频和视频信号，由于音频和视频信号采用同一条线材，大大简化系统线路的安装难度。

其最主要的传输方式为传输TMDS+以及TMDS-的差分信号，最初版本HDMI定制的最大像素传输速率为165Mpx/sec，足以支持1080p-60FPS的画质要求，而在后来的HDMI1.3标准中扩增为340Mpx/sec。

1. HDMI接口类型

 

 

 

 

• A类接口W=15mm H=5mm
• C类接口W=10.5mm H=2.5mm
• D类接口W=6mm H=2.3mm

 2. HDMI type A引脚排布

 应用于HDMI1.0版本，总共有19pin，规格为4.45mm×13.9mm，为最常见的HDMI接头规格，相点对点于DVI Single-Link传输。在HDMI 1.2a之前，最大能传输165MHz的TMDS，所以最大传输规格只能在于1600×1200（TMDS 162.0MHz）

 

 

 

Pin 1	TMDS Data2+
Pin 2	TMDS Data2 Shield
Pin 3	TMDS Data2−
Pin 4	TMDS Data1+
Pin 5	TMDS Data1 Shield
Pin 6	TMDS Data1−
Pin 7	TMDS Data0+
Pin 8	TMDS Data0 Shield
Pin 9	TMDS Data0−
Pin 10	TMDS Clock+
Pin 11	TMDS Clock Shield
Pin 12	TMDS Clock−
Pin 13	CEC
Pin 14	Reserved (HDMI 1.0–1.3a) Utility/HEAC+ (HDMI 1.4+, optional, HDMI Ethernet Channel and Audio Return Channel)
Pin 15	SCL (I²C serial clock for DDC)
Pin 16	SDA (I²C serial data for DDC)
Pin 17	Ground (for DDC, CEC, ARC, and HEC)
Pin 18	+5 V (min. 0.055 A)[3]
Pin 19	Hot Plug Detect (all versions) HEAC− (HDMI 1.4+, optional, HDMI Ethernet Channel and Audio Return Channel)

 

Shield相关的引脚是需要连接到HDMI的外部防护屏蔽壳上的，可以根据布线的情况看出来是用来隔绝和屏蔽不同差分线组之间的串扰作用。

3、

 

 

 

TMDS 差分传动技术是一种利用2个引脚间电压差来传送信号的技术。传输数据的数值（“0”或者“1”）由两脚间电压正负极性和大小决定。即，采用 2 根线来传输信号，一根线上传输原来的信号，另一根线上传输与原来信号相反的信号。这样接收端就可以通过让一根线上的信号减去另一根线上的信号的方式来屏蔽电磁干扰，从而得到正确的信号。

 

4、HDMI电路原理

        黑金AX7050底板的HDMI原理图接口：

 

 

 AZ1045_04F是TVS二极管，防止外面静电对FPGA产生损坏。

 

正点原子领航者 ZYNQ 底板的 HDMI 接口原理图：

 

 

 

 

 

　HDMI 的三个数据通道 HDMI_D[2:0] 只和一个时钟通道 HDMI_CLK 直接与 TMDS 差分引脚相连。

• HDMI_CEC 指的是用户电气控制（Consumer Electronics Control），它用于 HDMI 连接线上的设备之间进行信息交换。当一个设备的状态发生变化时，CEC 可以使用远程控制或自动改变设置来命令连接的关联设备的状态发生相应的变化。例如，如果用户放置一张碟片到蓝光播放器并开始播放，那么高清电视机将会自动打开电源，设置正确的视频输入格式和打开环绕声设备等等，这种关联通信提供了一个更好的客户体验。

• HDMI_HPD 指的是热拔插检测（Hot Plug Detect），当视频设备与接收设备通过 HDMI 连接时，接收设备将 HPD 置为高电平，通知发送设备。当发送设备检测到 HPD 为低电平时，表明断开连接。

• HDMI_OUT_EN 信号，用于设置 HDMI 接口的输入输出模式，当其为高电平时作为输出端，此时由 FPGA 底板输出 HDMI 接口的 5V 电源。同时，HDMI_HPD 将作为输入信号使用。反之，当 HDMI_OUT_EN 为低电平时，HDMI_HPD 将输出高电平，用于指示 HDMI 连接状态。

• HDMI_SCL 和 HDMI_SDA信号， 是 HDMI 接口的显示数据通道（DDC，Display Data Channel），用于 HDMI 发送端和接收端之间交换一些配置信息，通过 I2C 协议通信。发送端通过 DDC 通道，读取接收端保存在 EEPROM 中的 EDID 数据，获取接收端的信息，确认接收端终端显示的设置和功能，决定跟接收端之间以什么格式传输音/视频数据。

 

 5、PCB设计

基本PCB Layerout设计规则：

• 特性阻抗为100欧姆，ESD器件靠近HDMI放置，共模电感靠近ESD器件；
• 匹配电阻并排放置，匹配电阻起防ESD作用和微调阻抗用途，通常靠近插座放置；
• 差分对组内控制在5mil以内，组间控制在25mil以内，组与组之间间距至少20mil以上；
• 使用立体包地处理(组与组之间包地&组内差分线包地)，需要有完整的参考平面；
• 信号换层的过孔附近放置一些接地的过孔，以便为信号提供最近的回路；
• 邻近GND层走线，空间足够的情况下进行包地处理，包地线离差分线间距满足差分线宽的3倍（中心到中心），铺铜离差分线20mil；
• 差分阻抗控制为100欧姆（+/-10%），单端走线控制50欧姆；
• 尽可能使用尺寸最小的信号线过孔和HDMI连接器焊盘，因为其对 100 差动阻抗产生的影响较小(推荐使用过孔8mil/16mil)；
• 尽可能使HDMI连接器和器件之间的电气长度保持最短，从而使衰减最小化；

• 1）ESD、共模电感器件靠近HDMI接口，放置的顺序是ESD -共模电感-阻容。注意ESD器件也不应放置太近，考虑工艺要求，避免在手工焊接HDMI座子的时候容易造成 HDMI 焊盘与 ESD 器件焊盘连锡的情况，推荐间距为一个烙铁头的厚度即可，一般1.5MM。

  2）HDMI接口靠近PCB板边放置，根据具体需求考虑是否伸出板边一定距离；

  3）HDMI接口的5V电源靠近接口来放置即可，不宜太远；

  4）其他配置的阻容靠近HDMI相对应的管教放置即可。

• 使用坚实的电源层和接地层来实现 100Ω 阻抗控制，以及电源噪声最小化。 即差分走线下面应该是完整的参考平面。

  尽可能使用尺寸最小的信号线过孔和HDMI连接器焊盘，因为其对 100 差动阻抗产生的影响较小。较大的过孔和焊盘可能会导致阻抗下降。 推荐使用过孔8mil/16mil,或者8mil/18mil。 

  

•  

  

   

   

   差分对与对之间尽量包地处理，间隔100mil打地过孔，空间紧张的情况，四组差分尽量拉开间距，保证边到边是15-20mil左右，并且四组包地，跟其他的隔开，防止相互之间干扰。

 

 

 

参考资料：

• https://www.bilibili.com/read/cv6362917 出处：bilibili
• HDMI硬件接口设计 - 小淼博客 - 博客园 (cnblogs.com)