HDMI 1.3a協(xié)議采用iCoupler隔離技術(shù)實(shí)現(xiàn)電氣隔離

電路功能與優(yōu)勢(shì)

為高速接口添加電氣隔離一直以來(lái)都不是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的工作。數(shù)據(jù)速率高于250 Mbps時(shí)，就已超過(guò)光耦合器和大部分電子隔離器的容量范圍，迫使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員采用更為復(fù)雜的技術(shù)，例如光纖。ADI公司的iCoupler^?技術(shù)可以在數(shù)據(jù)速率超過(guò)1 Gbps時(shí)，隔離低壓差分信號(hào)(LVDS)物理層，以此降低同時(shí)需要隔離和高帶寬的系統(tǒng)的復(fù)雜性。手術(shù)內(nèi)鏡和顯示屏監(jiān)測(cè)器之間的接口就是一個(gè)需要電氣隔離的示例。

圖1所示的電路在高清多媒體接口(HDMI)源和HDMI接收設(shè)備之間提供完全隔離的連接。信號(hào)和電源隔離確保HDMI源（例如，醫(yī)用內(nèi)窺鏡或機(jī)器故障監(jiān)控?cái)z像機(jī)）和HDMI接收端（例如，攝像機(jī)控制模塊或工業(yè)顯示器）之間能夠安全、無(wú)噪連接。

CN-0422電路中的隔離能提供電氣線路浪涌保護(hù)并斷開總線和數(shù)字引腳之間的接地連接，增加系統(tǒng)安全性和魯棒性，進(jìn)而消除系統(tǒng)中可能存在的接地環(huán)路。

目前存在多個(gè)HDMI標(biāo)準(zhǔn)。圖1所示電路符合1.3a版HDMI標(biāo)準(zhǔn)的要求。圖1包含高速、轉(zhuǎn)最小化傳輸差分信號(hào)(TMDS)時(shí)鐘和數(shù)據(jù)線，它們通過(guò)物理層上的電流模式邏輯(CML)實(shí)施。

圖1中所示的電路也對(duì)消費(fèi)電子控制(CEC)、熱插拔檢測(cè)(HPD)和顯示數(shù)據(jù)通道(DDC)信號(hào)提供雙向隔離。為高速和雙向數(shù)據(jù)隔離器提供隔離電源。CN-0422電路也依照1.3a版HDMI標(biāo)準(zhǔn)的要求，為HDMI接收設(shè)備提供275 mW隔離電源。

該系統(tǒng)可以透明地隔離為高達(dá)1280p × 720p (720p)（60 Hz時(shí)）的分辨率配置的HDMI接口，且可以經(jīng)受2500 V電壓（依照UL 1577）。

圖1.EVAL-CN0422-EBZ的簡(jiǎn)化電路圖

電路說(shuō)明

圖2所示為電源隔離和1.3a版HDMI信號(hào)隔離的簡(jiǎn)化電路圖。編號(hào)1至5顯示流經(jīng)HDMI源和HDMI接收端之間的ADN4654、ADuM1250和ADuM5020設(shè)備的啟動(dòng)通信序列。

圖2.隔離HDMI信號(hào)流程圖

第1步：電源

1.3a版HDMI標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，5 V電壓時(shí)，HDMI源必須能夠?yàn)镠DMI接收設(shè)備提供55 mA電流。為了保證隔離設(shè)計(jì)達(dá)到這一要求，CN-0422采用了一個(gè)  ADuM5020  isoPower DC-DC轉(zhuǎn)換器（參見圖1）。通過(guò)DDC + 5 V線路，為HDMI接收設(shè)備以及兩個(gè)ADuM1250 I²C隔離器提供隔離電源。第2個(gè)  ADuM5020  設(shè)備通過(guò)2.5 V降壓調(diào)節(jié)器  ADP5302  ，為  ADN4654  的輔面提供隔離電源。

第2步：熱插拔檢測(cè)(HPD)

當(dāng)HDMI源和接收設(shè)備通過(guò)HDMI線纜連接至  EVAL-CN0422-EBZ  時(shí)，通過(guò)HPD信號(hào)啟動(dòng)通信序列。接收設(shè)備通過(guò)  ADuM1250  I²C隔離器拉高HPD信號(hào)，向源表明，它已準(zhǔn)備好通過(guò)顯示數(shù)據(jù)通道(DDC)接收命令。

第3步：顯示器數(shù)據(jù)通道(DDC)

雙向DDC使用按100 kHz標(biāo)稱數(shù)據(jù)速率和最大400 kHz數(shù)據(jù)速率運(yùn)行的I²C協(xié)議。HDMI源設(shè)備使用DDC，通過(guò)雙向  ADuM1250  I²C  隔離器，讀取來(lái)自接收設(shè)備的擴(kuò)展顯示識(shí)別數(shù)據(jù)(EDID)。HDMI源使用EDID來(lái)確定哪些音頻/視頻格式在HDMI接收設(shè)備上可用。DDC通道也被用于實(shí)施高帶寬數(shù)字內(nèi)容保護(hù)(HDCP)。

第4步：消費(fèi)電子控制（CEC）

CEC使用具備與I2C類似的物理層的協(xié)議，以200 Hz運(yùn)行。CEC協(xié)議在用戶環(huán)境中的所有音頻-視頻設(shè)備之間，通過(guò)  ADuM1250   I²C  隔離器提供高水平的控制。CEC允許用戶命令和控制最多15個(gè)通過(guò)HDMI連接的啟用了CEC的設(shè)備（例如遠(yuǎn)程控制電視機(jī)來(lái)設(shè)置DVD播放器）。

第5步：轉(zhuǎn)換最小化差分信號(hào)(TMDS)

TMDS信號(hào)由三個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)和一個(gè)時(shí)鐘對(duì)組成：數(shù)據(jù)0±、數(shù)據(jù)1±、數(shù)據(jù)2±，以及時(shí)鐘±。三個(gè)差分?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)發(fā)送10位，同時(shí)攜帶高速視頻和音頻數(shù)據(jù)。TMDS時(shí)鐘和數(shù)據(jù)線在物理層上通過(guò)CML實(shí)施。

圖1所示的耦合網(wǎng)絡(luò)允許在CML和LVDS電壓電平之間進(jìn)行可靠的轉(zhuǎn)換。在CML與低壓差分信號(hào)(LVDS)物理層耦合后，ADN4654 1.1 Gbps LVDS隔離器被用于隔離TMDS信號(hào)。

要在CML和LVDS之間實(shí)現(xiàn)耦合，使用100 ?上拉電阻來(lái)正確終止來(lái)自HDMI源的CML信號(hào)。需要采用耦合電容(10 nF)來(lái)去除CML DC共模電壓。終止  ADN4654  LVDS輸入需要提供200 ?差分電阻。要偏置  ADN4654  輸入，需要使用10 k?上拉電阻，上拉至3.3 V，并使用10 k?下拉電阻，下拉至接地。

要在LVDS和CML之間實(shí)現(xiàn)耦合，需使用10 nF電容來(lái)去除  ADN4654  LVDS輸出的DC共模電壓。HDMI接收端的CML輸入通常需要偏置至CML接收器的共模電壓。因?yàn)镠DMI接收設(shè)備的片內(nèi)不包含內(nèi)部偏壓，所以必須在印刷電路板(PCB)電平上實(shí)施偏壓。要在HDMI接收設(shè)備上偏置CML接收器的輸入，需使用10 k?上拉電阻，隔離至3.3 V，以及使用10 k?下拉電阻，隔離至接地。

常見變化

*其他HDMI版本

最近的HDMI標(biāo)準(zhǔn)版本（比HDMI V1.3a更新）都要求HDMI以太網(wǎng)音頻控制(HEAC)合規(guī)。圖1和圖2中所示的電路未包含設(shè)備之間共享的以太網(wǎng)（互聯(lián)網(wǎng)）的HEAC信號(hào)隔離。

*5 kV隔離解決方案

依照UL 1577，CN-0422參考電路的額定電壓定為2500 V rms，適用于功能性隔離，或者適合用于某些安全應(yīng)用。對(duì)于醫(yī)療應(yīng)用，本設(shè)計(jì)滿足250 V rms系統(tǒng)中一項(xiàng)患者防護(hù)措施(MOPP)或一項(xiàng)手術(shù)人員保護(hù)(MOOP)措施對(duì)耐受電壓和爬電距離的要求。

此設(shè)計(jì)中采用的每個(gè)數(shù)字隔離器都支持更高的爬電距離和5000 V耐受額定電壓。表1顯示了可選擇用在需要5 kV電氣隔離的應(yīng)用中的相關(guān)設(shè)備。這個(gè)5 kV設(shè)計(jì)滿足250 V rms系統(tǒng)中與兩項(xiàng)手術(shù)人員保護(hù)(MOOP)措施相關(guān)的IEC 60601-1要求，滿足250 V rms系統(tǒng)中與一項(xiàng)患者防護(hù)措施(MOPP)相關(guān)，或者125 V rms系統(tǒng)中與2 MOPP相關(guān)的要求。

表1.隔離等級(jí)比較

電路評(píng)估與測(cè)試

*共模瞬變抗擾度

共模瞬變抗擾度(CMTI)是指隔離器抵抗快速共模瞬變的能力。CMTI被定義為系統(tǒng)接地(Ground 1)和隔離接地(Ground 2)之間能夠容忍的最大共模電壓壓擺率或瞬變電壓，同時(shí)仍然保持無(wú)位誤差通信。

CMTI很重要，因?yàn)楦邏簲[率瞬變可在隔離柵的寄生電容中形成耦合，破壞數(shù)據(jù)。ADuM1250  和  ADN4654  是具有出色的CMTI性能的耐用型數(shù)字隔離器，在存在超過(guò)25,000 V/μs共模瞬變時(shí)，保證正常運(yùn)行且不損壞數(shù)據(jù)。

*系統(tǒng)合規(guī)測(cè)試

本節(jié)描述使用  EVAL-CN0422-EBZ  實(shí)施的HDMI源合規(guī)測(cè)試。共采用  EVAL-CN0422-EBZ  輸出通過(guò)了14次合規(guī)測(cè)試，包括時(shí)鐘抖動(dòng)、數(shù)據(jù)通道眼圖和抖動(dòng)、時(shí)鐘和數(shù)據(jù)通道的上升和下降時(shí)間，以及最大/最小時(shí)鐘占空比。

圖3、圖4、圖5和圖6記錄了執(zhí)行的HDMI源合規(guī)測(cè)試，以及相應(yīng)的測(cè)試結(jié)果。圖3和圖4分別顯示了在720p × 576p (60 Hz)和1280p × 720p (60 Hz) HDMI分辨率下，HDMI源合規(guī)測(cè)試的眼圖。

圖3.HDMI源合規(guī)測(cè)試的眼圖，576p

圖4.HDMI源合規(guī)測(cè)試的眼圖，720p

圖5和圖6分別顯示了在720p × 576p (60 Hz)和1280p × 720p (60 Hz) HDMI分辨率下，對(duì)應(yīng)的HDMI源合規(guī)測(cè)試的報(bào)告。

圖5.HDMI源合規(guī)測(cè)試報(bào)告，576p

圖6.HDMI源合規(guī)測(cè)試報(bào)告，720p

*系統(tǒng)兼容測(cè)試

使用ADI公司的  EVAL-ADV7625-SMZ  評(píng)估板實(shí)施系統(tǒng)兼容測(cè)試。  ADV7625  是一個(gè)3 GHz HDMI 5:2交叉點(diǎn)收發(fā)器。系統(tǒng)兼容測(cè)試表明，與標(biāo)準(zhǔn)非隔離顯示器相比，電氣隔離顯示器在視覺質(zhì)量上的損失為零。

實(shí)施系統(tǒng)兼容測(cè)試所需的設(shè)備

實(shí)施系統(tǒng)兼容測(cè)試需要使用以下設(shè)備：

?  HDMI音頻和視頻源（DVD播放器）

?  EVAL-CN0422-EBZ電路評(píng)估板

?  EVAL-ADV7625-SMZ視頻評(píng)估板

?  電源：5 V、3.6 A電源或5 V壁式電源適配器

?  4根HDMI線纜，每根長(zhǎng)1米

?  USB與RS-232之間的連接線纜。

?  兩個(gè)帶HDMI輸入的顯示器/顯示屏

開始使用

使用  EVAL-ADV7625-SMZ  視頻評(píng)估板時(shí)，請(qǐng)參考  EVAL-ADV7625-SMZ  用戶指南(  UG-603  )。

打開  EVAL-ADV7625-SMZ  的電源，在筆記本電腦和連接器P1之間連接一根USB到RS-232的電纜。為板編程時(shí)，在  EVAL-ADV7625-SMZ  的J15上安裝一個(gè)跳線。如需查看完整的設(shè)置細(xì)節(jié)，請(qǐng)參考  CN-0422  用戶指南。

按照  UG-603  用戶指南的說(shuō)明（115,200波特、8數(shù)據(jù)位、無(wú)奇偶校驗(yàn)、一個(gè)停止位、無(wú)流量控制）配置終端窗口。輸入命令  hdmia a  和  hdmia b  ，設(shè)置1:2 HDMI分路器模式（從RxA到TxA，從RxA到TxB）。

功能框圖

圖7所示為HDMI系統(tǒng)兼容測(cè)試的框圖。

EVAL-ADV7625-SMZ  接收一個(gè)來(lái)自源的HDMI輸入，然后生成兩個(gè)完全相同的HDMI輸出。  EVAL-ADV7625-SMZ  輸出1和接收端（顯示器1）通過(guò) EVAL-CN0422-EBZ  連接，這與第二個(gè)通道不同，對(duì)于后者，  EVAL-ADV7625-SMZ  輸出2和接收端（顯示器2）是直接連接。 

圖7.HDMI系統(tǒng)兼容測(cè)試

測(cè)試

EVAL-ADV7625-SMZ  配置完成之后，采取以下步驟：

1.將一個(gè)HDMI視頻和音頻源連接至  EVAL-ADV7625-SMZ  RxA輸入。

2.利用一根micro USB Type B線纜，將來(lái)自壁式電源適配器的5 V電源連接至  EVAL-CN0422-EBZ  上的J5。

3.將  EVAL-CN0422-EBZ  電路評(píng)估板下部的輸入HDMI連接器連接至 EVAL-ADV7625-SMZ  TxA輸出。

4.將  EVAL-CN0422-EBZ  的HDMI輸出(J4)連接至HDMI顯示器（顯示器1）。

5.將  EVAL-ADV7625-SMZ  TxB輸出連接至HDMI顯示器（顯示器2）。

HDMI視頻/音頻源會(huì)在這兩個(gè)顯示器上顯示。檢查兩個(gè)顯示器，確認(rèn)隔離HDMI是透明的；顯示器1和顯示器2看起來(lái)完全相同。