HDMI SoC와 커넥터 간에 추가할 부품을 선택하는 문제는 HDMI 시스템의 구현 성능과 호환성에 상당한 영향을 미칠 수 있다. NXP의 IP4746CZ32 신호 조절 장치는 외부 신호 조절 및 보호회로가 하나의 검증된 솔루션으로 통합돼 설계 작업을 단순화하고 시장 출시시간을 단축시켜 준다.



지난 2002년 첫 선을 보인 이후 일반 디지털 영상 신호의 대표적인 전송 방식으로 자리매김한 HDMI(High Definition Multimedia Interface)가 최근 TV에 고해상도, 고화질, 3D 등 새로운 기능들이 추가됨에 따라 이를 지원할 수 있도록 진화하고 있다. 하지만, 이러한 시장 변화에 맞춰 증가하는 데이터 처리 속도에 적절히 대응하고 상호 운용성(interoperability) 문제도 해결하면서 시스템 비용은 그대로 유지해야 하는 과제가 설계 엔지니어들의 숙제로 남게 됐다. 기존에는 LCD TV의 1080i 포트 하나에 짧은 케이블만 연결하면 간단히 해결됐던 설계 문제가, 5-port LCD TV에 30 m짜리 긴 케이블을 연결해 1080P의 고화질 영상(deep color of HDMI 1.3)을 처리할 때는 훨씬 더 복잡해진다. 이미 검증된 솔루션이 나와 있으니 걱정할건 없지만, 이제 시작일 뿐이다. 이러한 문제를 잘 이해하고 해법을 모색하는 것이 중요하다. 당면한 과제는 다음과 같다:

- TMDS 임피던스 매칭 및 스큐 최소화
- 신호 무결성을 유지하면서 적절한 ESD 보호 제공
- DDC 신호의 저 레벨 로직 전압 변환
- 긴 케이블 지원
- CEC 하드웨어 구축
- 5 V 과전류 보호 및 대기상태 전류 차단

TMDS 임피던스 매칭 ESD 보호
HDMI 규격은 디지털 고속 신호(TMDS 회선)가 100 Ohm의 차동 임피던스를 지원하도록 규정하고 있다. 임피던스는 PCB 트레이스와 PCB 보드 스택업의 크기에 따라 주어지는 인덕턴스와 정전용량 간의 비율이다. ESD 보호 소자나 잘 설계된 신호 케이블에 장착된 커먼 모드 필터 등 어떤 부품이든 임피던스 왜곡을 발생시킨다. 임피던스 부정합
(impedance mismatches)은 신호 성능을 저하시키는 반사를 유발한다. 차동 페어 케이블 간의 임피던스 부정합도 인트라-페어 스큐(intra-pair skew)를 증가시켜 결국 신호 스큐와 EMI의 증가를 유발한다. 데이터 속도가 증가할수록 임피던스 정합이 더욱 중요하다.
고속 차동 신호는 송신기/수신기 회로에 사용된 소형 실리콘으로 인해, 그리고 신호 트레이스가 고속 신호인 ESD 펄스의 우수한 반송파이기 때문에 ESD 손상에 특히 취약하다. 시스템 가동 중 ESD 손상을 방지하기 위해 설계 엔지니어들은 보통 각 신호선에 ESD 보호회로(ESD급 다이오드 등)를 추가한다. 그러나 ESD 보호의 정전용량이 임피던스 설계 신호선과 더불어 신호 무결성 문제를 유발할 수 있는 만큼, 이러한 다이오드를 추가할 경우에는 각별한 주의가 필요하다.

DDC 버퍼링
HDMI DDC 신호는 5 V 레벨을 사용한 DC 결합 인터페이스다. HDMI DDC 버스를 구축할 경우에 시스템 설계자들은 신호 상승시간 조건과 신호 전압 레벨 조건 등 두 가지 문제를 고려해야 한다. 상승시간 조건은 원래 DDC 버스의 허용 용량을 제한함으로써 제어했으나, 실질적으로 두 개의 HDMI-호환 장치를 저가의 고용량 케이블로 연결하는 경우에는 문제가 발생할 여지가 있다. DDC 버스는 5 V EEPROM 등의 다른 5 V 장치들과 호환성을 유지하기 위해 5 V 신호 레벨이 필요하지만, 최신 칩셋들이 낮은 로직 레벨 전압으로도 작동 가능하도록 설계되기 때문에, 전압 레벨 조건이 문제가 될 수도 있다.
케이블이 길어질수록 정전용량도 증가하므로(또는 비용이 현저히 증가하기 때문에), DDC 버스에는 문제가 될 수 있다. 용량이 높을수록 DDC 신호의 상승시간이 늦어져서 신호 인식률이 떨어지게 된다. 그렇게 되면, 이미지가 보이지 않게 되고 화면에는 에러 메시지만 뜨게 된다. HDMI 규격은 이러한 문제를 해결하기 위해 케이블에 최대한 용량 제한을 두고 있기 때문에, 사용자들은 대개 호환성 없는 케이블을 구매한다. 이런 경우 제품에 문제가 발생하면, 사용자들은 TV나 셋톱박스 제조업체를 탓하기 마련이다.
케이블 길이가 길어지는 문제는 보통 동적 풀업 회로나 DDC 버퍼를 사용해 해결할 수 있다. 두 가지 모두 다양한 상품이 나와 있다. DDC 버퍼는 외부 케이블 DDC 라인으로부터 시스템 DDC 회로를 격리시키고 내구성이 좋으며 저 레벨 로직 지원 회로와 통합이 용이하기 때문에, DDC 버퍼가 더 선호된다(아래 참조).
저전압 고급 CMOS SoC를 5 V DDC 버스에 연결하면, 고 레벨 로직과 저 레벨 로직 모두에 문제가 발생할 수 있다. 대부분의 설계자들은 고전압 전환이 필수적이라고 인식하고 있으며, 만약 SoC에 5 V 허용 IO 핀이 없다면, 레벨 변환 트랜지스터를 사용해 DDC측 전압을 5 V에서 더 낮은 “고” 레벨 로직 전압으로 전환할 것이다. 그럼에도 저 레벨 로직 문제는 해결되지 않으며, 심지어 5 V 허용 IO를 사용하는 SoC도 저 레벨 로직 문제는 해결되지 않는다.
DDC는 DDC LOW 신호가 DDC 라인의 저항에 대해 민감하게 반응하도록 만드는 “풀다운” 버스이다. DDC 라인에 저항을 추가하면, “LOW” 전압이 증가해 결국 SoC는 LOW 신호를 HIGH 신호로 오인한다. 멀티포트 TV나 셋톱박스의 신호 경로에 HDMI 스위치를 붙이고 저항을 추가하며 케이블이 길어질수록 저항이 더 늘어남에 따라 이러한 문제는 갈수록 확대되고 있다. 유감이지만, 간단한 레벨 전환 FET로는 LOW 레벨을 전환할 수 없으며 오히려 동작 저항(on resistance)로 인해 LOW 레벨이 증가하기도 한다. NXP IP4786CZ32에 채택한 버퍼 등의 최신 DDC 버퍼일수록 케이블 정전용량을 차단해 고용량 케이블의 긴 상승시간에 맞춰지도록 하면서도 저 레벨 로직과 고 레벨 로직 모두에서 양방향 레벨 전환이 제공된다. 또한 ESD 보호는 직접 DDC 버퍼에 통합될 수 있고, 버퍼 격리는 HDMI SoC에 도달한 후의 잔류 에너지를 제거함으로써 백드라이브 보호가 제공되고 ESD 보호 수준이 증가한다.

5 V 과전류 보호 및 차단
HDMI 커넥터는 셋톱박스 등의 HDMI 소스로부터 TV 등의 HDMI 싱크로 5 V 전원을 공급한다. 이러한 5 V 전원은 싱크 장치의 EDID 메모리에 전력을 공급해 HDMI 송신기가 싱크의 디스플레이 성능을 읽을 수 있도록 해준다. 이러한 5 V 전원은 안전문제와 시스템 기능문제를 안고 있다.
안전성 측면에서 보면, 일종의 과전류 보호회로를 위해서는 5 V 전원이 꼭 필요하다. 그래야만 주변장치들이 포트에서 무단으로 과도한 전력을 끌어가는 것을 방지할 수 있는데, 더 중요한 것은 HDMI 케이블 손상 등으로 단락이 발생하는 경우에 시스템을 보호한다는 것이다. 이러한 보호 기능이 없다면, 치명적인 손상을 입게 되어 화재가 발생할 수도 있다. 시스템의 5 V 제한은 HDMI가 요구하는 1 A 미만 수준보다도 훨씬 낮은 수준이기 때문에, 시스템의 주 전원인 5 V 레일에 대한 과전류 보호는 대개 신뢰하기는 어렵다. 보호방식은 보통 두 가지로, 반도체 과전류 회로와 폴리퓨즈이다. 일반적으로 반도체 과전류 소자들이 더 신뢰성이 높고 반응이 빠르기 때문에 더 선호한다. NXP의 IP4786CZ32는 5 V 과전류 보호를 ESD 보호나 DDC 버퍼와 같은 장치들에 직접 통합함으로써 다른 장치를 추가할 필요가 없다.
기능적 관점에서는 5 V HDMI 레일을 대다수의 애플리케이션에서 사용하는 메인 시스템 5 V 레일에서 격리시키는 것이 중요하다. 왜냐하면, 일부 HDMI 수신기와 TV가 전원 레일에 존재하는 5 V를 주 전원을 인가하라는 신호로 감지할 수 있기 때문이다. 셋톱박스/PVR이 한밤중에 자동으로 켜져 프로그램을 녹화할 수는 있어도 TV까지 켤 필요는 없을 것이다. 시스템의 5 V 레일로부터 HDMI 5 V를 차단하려면, 활성화 핀을 통해 IP4786CZ32 등의 반도체 솔루션을 사용하면 간단히 해결된다. 폴리퓨즈로는 불가능하다.

CEC 버스
기계 제어 신호(Consumer Electronics Control, CEC) 버스는 HDMI 싱크와 소스가 상호 명령을 교환하도록 하고 홈 엔터테인먼트 시스템을 간편하게 제어할 수 있도록 해주는 양방향 단선 버스다. 또한 고용량의 부하를 처리하기 위해 설계된 저속 버스다. 27 k Ohm의 풀업 저항은 상당히 높은 수준이고, CEC 버스는 HDMI 장치가 꺼져 있을 때, 특히 누설전류에 민감하게 반응한다. 최대 누설전류는 1.8 μA이다. 또한 CEC 명령어 세트는 대기상태에서 작동 모드로 전환시키는 “wake up” 기능을 지원하는데, 이를 위해서는 HDMI 싱크나 소스가 대기상태일 때 CEC 버스는 작동상태이어야 한다.
CEC 백드라이브와 누설 조건은 27 k Ohm 풀업 저항 뒤에 쇼트키(Schottky) 다이오드를 붙이면 해결할 수 있다. 단, 비용이 좀 들고 보드 공간이 늘어나게 된다. 대기 CEC 기능에서 wake 기능을 구현하는 동시에 백드라이브와 누설 조건을 제공하기 위해, NXP의 IP4786CZ32는 레벨 전환 버퍼와 풀업 및 백드라이브 다이오드를 통합함으로써 완전 검증된 호환 CEC 회로를 사용해 배치 설계를 단순화하고 있다.

기타 HDMI 신호 조절 관련
신제품 HEAC(HDMI 이더넷 및 오디오 리턴 채널)에 HDMI 1.4가 채용되면서 ESD 보호를 위해 신호선이 하나 더 필요하게 되었고, 핫 플러그(Hot Plug) 정보를 차동 이더넷 신호 및 오디오 리턴 채널로부터 분리해야 할 필요성이 대두됐다. 핫 플러그의 5 V 신호 레벨도 저 레벨로의 전압 레벨 전환이 필요할 수 있다. NXP는 모든 신호에 대해 ESD 보호를 제공하는 동시에 레벨 전환을 지원하기 위해 추가적인 ESD 보호와 슈미트 트리거(Schmitt Trigger) 버퍼를 통합시켰다.

HDMI SoC와 커넥터 간에 추가할 부품을 선택하는 문제는 HDMI 시스템의 구현 성능과 호환성에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 데이터 처리 속도가 상승하고 케이블 길이가 더 길어지며 기능이 향상됨에 따라 신호 조절의 문제가 더 까다로워졌다. 12개 모두의 HDMI 데이터 신호(HDMI 1.4는 13개)는 물론, HDMI 5 V 전원도 시스템 신뢰성과 신호 무결성을 보장하기 위해 추가 장치가 필요하다. IP4786CZ32는 설계 작업을 단순화하고 출시시간을 단축하는데 도움이 될 만한 저렴하고 검증된 솔루션이다. 모든 외부 신호 조절 및 보호회로가 하나의 검증된 솔루션으로 통합됐다. ES