HDMI 基于 4 层 PCB 的布线指南
HDMI 基于 4 层 PCB 的布线指南
简介
HDMI 规范文件里面规定其差分线阻抗要求控制在 100Ω ±15%，其中 Rev.1.3a 里面规定相对放宽了一些，容忍阻抗失控在 100Ω ±25%范围内，不要超过 250ps。 通常，在 PCB 设计时，注意控制走线时的阻抗控制，往往可以做到很好的匹配。 对于通常的聚酯胶片 PCB 来说，传输线的长度和微带线 Stub 效应是需要考虑的， 在本设计指南里面，主要是针对 4 层的 1080+2116 聚酯胶片 PCB 进行相关的阻抗 匹配控制。
聚酯胶片 PCB 的选择
尽管对于 PC 主板来说，高精度的 2116 材质 FR4 的 4 层 PCB 是主流，但是如果需 要进行精确的阻抗控制，则其费用也是不菲的。因而对于 HDMI 应用来说，不推 荐采用此板材，取而代之的是采用中等精度的 1080+2116 板材或者是低精度的
2116+7628 板材。对于不同的板材，走线宽带和间距必须做出相应的调整，使其 做的阻抗匹配。下面列出了 PCB 叠层相关的尺寸。
表 1：推荐的 PCB 聚酯胶片板材
通常，PCB 厂家能够将线宽和线距控制在±1-mil，然而对于 HDMI 连接器、IC 器件等附近区域，最好能够控制在±0.5mil，以减少偏移。
推荐走线长度
为了防止信号反射，信号线的长度不允许超过下面两个约束条件所计算出的走线 长度。
- 小于信号波长(λ )的 1/16，信号波长与信号频率之间的关系由以下公式 来确定。
这里ε R = 4.3 ~ 4.7，对于 FR4 材质μ R ~ 1
比如，对于运行于 FR4 板材，信号频率为 1.25GHz，其走线长度计算结果 如下
推荐长度< (1/16)λ ≅ 280 mil - 信号上升沿的 1/3 长度，其长度 l 定义为
这里 l 为信号上升沿的长度，单位 inch Tr 为信号上升沿时间，单位 ps
D 为信号延时，单位为 ps/inch
对于 FR4 板材，其延时为 180ps/inch，对于 HDMI 信号，Tr 为 200ps，其 计算结果不能超过 370 mil，即：
推荐长度<
如果信号线太长的话，那么最好将线宽和线距加大，以后线宽和线距加大后，其 阻抗连续性更容易控制。详细的线宽和线距的选择请参考表 1.
微带线 Stub 效应
stub 将会给 PCB 走线增加电抗，并且减少走线的阻抗，对于 HDMI 走线，存在任 何的 stub 都是不完美的。如果一个 open stub 是 1/2 波长，则其就等效于走线 上的一个对地电容。而如果 short stub 是 1/2 波长，其相对于在一个走线上加 上一个电感。
如果 stub 是不可避免的话，那么必须将其控制在信号上升沿的 1/6。经验告诉 我们，对于 200-ps 的 HDMI 信号，stub 的长度不允许超过 1/6 × 200ps = 33ps。
焊盘和过孔相关补偿
焊盘和过孔往往造成走线的不连续性，其结果使得走线阻抗降低。在器件下面的 低平面挖出适当的孔，其有助于减少焊盘或过孔与地平面之间的电容，从而有利 于补偿走线的阻抗损失。挖出空白尺寸的大小参考 Section(A)里面的(i)-(iv)。
HDMI 连接器焊盘之间也许会相互影响，为了达到相应的阻抗，并建立合理的信 号路径，其参考平面，HDMI 连接器推荐的地平面如 Section(A)里面的(v)。 Section(B)是推荐的案例。
Section(A)：地平面推荐的挖空尺寸
下面的案例基于 1080+2116 的聚酯胶片，差分线线宽为 8.0mil，线距为 9.3mil。 其相关地平面的挖空尺寸如下。
(i)ESD 或者上拉 0603 电阻焊盘下面挖空情况
图 3.ESD 或者上拉 0603 电阻焊盘下面挖空情况
(ii)ESD 或者上拉 0402 电阻焊盘下面挖空情况
图 4.ESD 或者上拉 0402 电阻焊盘下面挖空情况
(iii)HDMI 相关器件下面挖空情况
图 5.HDMI 相关器件下面挖空情况
(iv)过孔下面挖空情况
图 6.过孔下面挖空情况
(v)HDMI 连接器下面的挖空情况
图 7.HDMI 连接器下面的挖空情况 Section(B)：PCB 相关区域约束情况
在实际情况下，在走线时是需要考虑 PCB 的空间问题的，所以在连接 ESD 器件 和上拉电阻时，需要用到过孔和 stubs，且需要在底层走线。下面的参考案例里 面，包含了 ESD 器件、过孔和上拉电阻。
图 8.带有 ESD 器件、过孔和上拉电阻的 PCB 走线情况
建议走线
• 尽可能的将过孔靠近 HDMI 连接器放置
当信号从 HDMI 连接器到 HDMI 焊盘时，由于电气上的改变，使得阻抗相应 的增加，这种阻抗的增加刚好可以补偿 HDMI 边上过孔说造成的阻抗损失。 由于过孔太靠近 HDMI 连接器，这将使得 HDMI 连接器周围没有足够的空间 去走 100Ω 的差分线，这是将用 50Ω 的单端走线来代替，当必须保证此单 端线足够的短。
• 移除 HDMI 信号和时钟焊盘下面的地平面。
• 尽可能的采用小封装的上拉电阻和 ESD 器件
0402 封装与 0603 封装相比，具有更小的焊盘，使其在阻抗上具有更小的 损耗。
• 采用 9mil 线宽和 11mil 线距的差分走线 如果走线够宽，则其阻抗更好的控制。
• 采用尽可能短的 stubs
ESD 保护器件、过孔和上拉电阻之间的 stub 尽可能的短，不能超过信号 上升沿的 1/6
• 移除电阻焊盘和过孔下面的地平面 此挖掉的孔必须要足够大，确保能够覆盖 ESD 器件焊盘、过孔和上拉电阻 焊盘和所有的 HDMI 连接器上信号焊盘。其参考如下图 9。
图 9.ESD 器件、过孔和上拉电阻下面的地平面