用共模扼流圈控制高清多媒體接口噪音

中心議題：

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http://www.eepw.com.cn/article/187209.htm

1 引言

在數字家電領域，高清晰度能力的產品發展速度非常迅速，在TV和DVD播放類產品中，全高清類型的越來越普通。近幾年來，新開發的可以重放高解析度的數字攝像機和遊戲機中，高清產品同樣獲得了快速發展。

目前的情況可見，在高清晰度設備中，模擬的D-終端連接器和元器件構建的終端已經作為視頻終端被應用。隨著高清產品向著更高的解析度發展，一種被稱為數字微分接口即所謂的高清多媒體接口(HDMI)被採用，其特點是可以使數字設備能夠傳輸高速視頻信號。HDMI對信號的衰減很小，同時對外部噪音的抵抗能力較強，其本身的噪音輻射也很低。其原因是由於信號線路採用了相互消磁的設計。雖然如此，輻射噪音產生的問題仍然時有發生，例如其內部的集成電路(IC)和外圍的電路產生的共模噪音，或者由差分信號轉換來的噪音。

在以這類方式產生噪音的情況下，採用一個共模線圈來抑制噪音的方法是非常有效的，因為共模線圈可以抑制共模噪音，但對差分信號的影響很小。然而應該注意的是，由於信號的頻率不同，外圍電路和元器件不相同，共模扼流圈的選擇和貼裝也不相同。

藉助三組信號線和一組時鐘線，HDMI可以同時傳輸視頻和音頻信號。圖1所示的是一個應用於HDMI的轉換最小差分信號(TMDS)的網絡圖。其最大的數據傳輸率是10.2bps，其中一組的數據信號頻率達到1GHz甚至更高。最初，HDMI接口能夠傳輸的視頻解析度高達1080p或者8位真彩色。HDMI1.3版本的可以傳輸圖像解析度為1080p或12位深彩色。

圖1 HDMI共模扼流圈的工作原理圖

2 抑制HDMI輻射噪音的策略

在研究這種方法的過程中，用一根3米長線纜連接兩個HDMI設備，測試從1~5GHz的輻射噪音。表1列出了幾種不同型號共模扼流圈的規格及其參數，它們分別是同樣尺寸(1.25×1.0mm)的DLP11SN900HL2和DLP11SA900HL2，以及2.0×1.2mm尺寸的DLW21SN900HQ2。

表 1 幾種共模扼流圈的規格與參數

現在把共模扼流圈在信號線上和時鐘線上測試其噪音並因此確定受到的影響。在1080p或12位深色的最高信號頻率為1.11GHz上，對數據傳輸進行評價。圖2所示為共模轉換特性，特別是Scc21，在此消除的噪音但增加了與其成比例的Scc21的量值，以及差分模式傳輸特性和影響信號波形跌幅成比例的Sdd21。在此採用共模扼流圈進行評價。

圖3所示為使用共模扼流圈後，HDMI輻射噪音的測量結果。從圖中可見，這種共模扼流圈圖可以抑制1GHz甚至更高頻率的噪音。實際上，它對高次諧波有很強的抑制效果。所有這些共模扼流圈應用的效果來講，噪音在2.22GHz處衰減約為10db。圖中還顯示出由於使用了共模扼流圈，噪音在3.33GHz和4.44GHz時的衰減呈現多樣性。另外，從圖中可見，DLP11SN900HL2的噪音抑制效果比其它型號共模扼流圈差，這是因為DLP11SN900HL2的Scc21值在3GHz及更高頻率處相對較低，如圖2所示。由圖2和圖3顯示結果可見，增加一個在30GHz及以上頻率處有10db以上衰減能力的共模扼流圈是必須的。

3 保持高清多媒體接口信號質量

基於與HDMI1.3版本兼容的信號波形評估，就是採用一個視頻信號發生器作為信號源，同時用12位的深色信號作為輸出信號，評估在這種應用上加一個共模扼流圈和一個普通的靜電保護元器件後的信號波形狀態。圖4所示為各部件安裝順序不同時的波形傳輸變化情況。在該評估中，我們採用了一個截止頻率為3.5GHz的共模線圈DLP11SN900HL2和一個1.0PF的電容器做ESD保護器件。

圖5所示的是，當一個截止頻率大概是1GHz的共模扼流圈被採用時，HDMI信號波形產生的情況。這時，信號波形失真嚴重，已經不能滿足HDMI標準了。在研究了波形和共模扼流圈的截止頻率之後，可以發現，只有截止頻率為3.5GHz或更高的共模扼流圈，才能保證有足夠的周邊來傳輸12位的深色信號。但是，工程師們應該注意到，因為隨著壓敏電阻的量值和安裝位置的不同，都會影響到靜電屏蔽裝置的波形傳輸。

4 共模扼流圈的阻抗匹配

圖6所示的是用一個TDR測量儀器測試共模扼流圈的阻抗。零件的阻抗等於傳輸線的特性阻抗。為了使傳輸信號沒有輻射，阻抗匹配是必須的。圖6同時也顯示了共模扼流圈用於阻抗匹配的評價，符合HDMI標準要求的100+/-15Ω。由於使用了一個ESD器件的電容器，有時會造成阻抗不能滿足標準的需要。在這種情況下，用共模扼流圈加ESD壓敏電阻就可以滿足阻抗匹配標準了。圖7所示為在HDMI接口和1.0PF電容的ESD壓敏電阻之間加一個DLP11SN900HL2的阻抗情況。此時的阻抗已經滿足阻抗匹配標準了。

5 小結

根據以上所述的評價模式，確定在HDMI1.3版本或12位深色信號的有效噪音抑制措施和方法，並給予了實施。首先，共模扼流圈的Scc21值要高，用來抑制GHz頻段的噪音，而且在3GHz或以上頻率時，Scc21要高於10db。其次，共模扼流圈的截止頻率應高於或等於3.0GHz，以確保足夠的眼圖信號空間。最後，為了確保抗靜電功能，貼裝順序應先安裝接口，接著安裝ESD器件，最後安裝共模扼流圈。但是，阻抗匹配將變得更困難，這是必須注意的問題。

在HDMI上加共模扼流圈的評價實驗，都應考慮接口標準、信號頻率和周邊電路，用以確定對噪音抑制的影響。