PCB材料的粗糙度参数对HDMI接口性能的影响

随着智能手机相机技术的发展，现已能够拍摄高清视频。为了通过显示器等外部设备传输信号，需要确保信号的传输能力。目前，智能手机内部的高速视频信号传输基于HDMI标准进行处理。在HDMI 1.4版本中，传输1920×1080（1080p）分辨率的视频信号时，每通道的传输速率为1.48 Gbps。

高清视频信号传输系统的性能主要受传输损耗、传播延迟时间和特性阻抗的限制。传播延迟时间和特性阻抗可通过印刷电路板设计进行优化，但传输损耗随基板材料的电气特性变化。在高速信号传输中，主要障碍是信号衰减及由此导致的误码率增加，因此需努力减少布线的传输损耗。传输损耗可分为由金属布线的电阻引起的损耗和由趋肤效应引起的电阻性损耗。特别是，当布线表面粗糙度幅度较大时，趋肤效应导致的电阻性损耗对传输损耗的影响更为显著。在智能手机设计中，由于元件安装位置和外部连接器位置的限制，必须验证布线表面粗糙度幅度及长度对传输损耗的影响。

传输线损耗

传输线损耗由下面公式中的衰减常数决定。其中，αc为导体损耗引起的衰减常数，αd为介质损耗引起的衰减常数。介质损耗引起的衰减常数如公式所示，可反映于一般印刷电路板设计参数中。其中，λ为传输信号波长，εr为相对介电常数，tanδ为损耗角正切。

传输线的导体损耗

传输线的导体损耗分为金属布线的固有电阻损耗和趋肤效应引起的损耗。下图（a）展示了趋肤效应。随着传输信号频率的升高，磁场变化产生的涡流会在导体中心部产生反向电动势。反向电动势使电流密度集中在导体表面，由此导致的趋肤电阻上升会增加导体损耗。

上图（b）展示了趋肤效应引起的导体内部电流分布。可见，随着信号频率升高，电流逐渐集中于导体表面。此时，电流流动的平均趋肤区域称为趋肤深度，如下公式所示。其中，μ为线路磁导率，σ为线路电导率，f为传输信号频率。    

HDMI传输线设计标准推导

为分析布线表面粗糙度幅度对传输损耗的影响并推导设计标准，设计了如下图所示的差分布线结构实验基板。基板采用Panasonic R-1650M半固化片及R-7155M层压板，介电常数为4.6，损耗角正切为0.017，并分别使用STD(: Standard)、VLP(: Very low profile)和HVLP(: Hyper very low profile)三种铜箔制作。  

    

HDMI传输线损耗测量

使用Tektronix时域反射仪（DSA8200）测量基板特性阻抗（下图），结果显示所有粗糙度条件下的特性阻抗误差均在±2 Ohm以内（设计目标为100 Ohm）。    

使用安捷伦矢量网络分析仪（E5071C）测量传输损耗（下图）。结果表明，当传输损耗低于-20 dB时，高频信号失真问题显著。

    

对于HDMI 1.4 1080p视频信号（每通道速率1.48 Gbps），最小带宽需求为10 GHz（如下公式）。

在此频段下，不同铜箔类型和布线长度的传输损耗如表所示。结果表明，50 mm长度STD铜箔及所有100 mm长度布线均无法满足要求。

HDMI传输线性能仿真

基于实测传输损耗参数，通过ADS进行时域仿真（下图图6）。

输入信号为1080p分辨率、60 Hz刷新率的HDMI 1.4信号，仿真结果如表所示。    

仅25 mm长度布线满足HDMI TPI眼罩规格（下图），而50 mm STD及所有100 mm长度布线均未达标。

    

基于下表标准设计60 mm长VLP铜箔布线，并集成至智能手机。

    

实测眼图显示左右边沿时间分别为70.2 ps和72 ps（比特时间676.7 ps的11%以内），满足HDMI 1.4 TPI规格。  

从上面的仿真结果可以看到表面粗糙度对导体损耗的影响，表明采用低粗糙度铜箔可显著提升信号完整性。该方式同样可扩展至其他高速信号传输领域。