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全面解析HDMI技術在汽車設計中的應用

作者: 時間:2017-10-27 來源:網絡 收藏

  簡介

本文引用地址:http://2s4d.com/article/201710/368582.htm

  播放高清內容(例如藍光光盤上的電影)需要很高的處理能力,而當前中的現有處理器通常不具備這種處理能力。借助行業(yè)標準,汽車制造商可以更加快速和輕松地集成汽車高清電影播放功能。此類系統(tǒng)可以采用汽車級藍光驅動器,該驅動器使用規(guī)范中所列的E型電纜和連接器進行連接。由于標準可為同步音頻(包括多通道高清音頻格式)和視頻傳輸提供內容保護,因此不需要通過其他網絡或音頻總線,與音頻放大器單獨連接。

  藍光播放器的播放功能只是HDMI在汽車行業(yè)的一種應用。越來越多的乘客以及駕駛員,都希望將自己的移動設備連接至。在不久的將來,智能手機有望成為娛樂中心,顯著降低的處理要求、復雜性和成本。智能手機的設計周期遠短于汽車信息娛樂系統(tǒng),如果智能手機成為設備中樞,可以確保最新消費型產品開發(fā)成果能夠迅速應用于汽車信息娛樂系統(tǒng)。HDMI能夠提供高質量的無壓縮饋送,因此非常適合將移動設備連接至汽車信息娛樂系統(tǒng)。對于汽車行業(yè)而言,HDMI電纜具有低噪聲耦合,不易受車內其他設備的影響。  

  

  圖1汽車設計中的HDMI應用示例。


  音響主機(汽車信息娛樂系統(tǒng)的主控制器)有兩個HDMI輸入、一個音頻輸出、一個顯示屏視頻輸出。HDMI接收器(Rx)解碼來自兩個HDMI輸入的視頻并提取音頻。音頻轉換為模擬信號并連接至揚聲器。第一個HDMI輸入連接至安裝的藍光播放器,該播放器可能位于汽車的后備箱。第二個HDMI輸入提供與配備HDMI的便攜式媒體設備的連接,這些設備包括智能手機、平板電腦、筆記本電腦、數碼相機和攝像機等。

  HDMI接口普遍應用于消費類電子設備中,但如何將它集成到汽車應用?

  雖然HDMI接口當前已經廣泛應用于各種家庭娛樂設備,但汽車應用卻向使用HDMI接口的設計提出了全新挑戰(zhàn)。汽車應用可能包括開放系統(tǒng)或封閉系統(tǒng)。開放系統(tǒng)允許連接消費型設備,例如智能電話或平板電腦。封閉系統(tǒng)則允許汽車娛樂系統(tǒng)內部的專用模塊互連。

  封閉系統(tǒng)可以交流耦合,以提供電池短路(STB)和接地短路(STG)保護。雖然這一點在當前HDMI規(guī)范中沒有說明,但它提供了常見汽車應用問題的巧妙解決方案。如果HDMI電纜出現了故障情況,發(fā)生電池短路或接地短路,HDMI接收器和發(fā)送器IC應該不會受到損壞。在HDMI接口中使用的信號電平是3.3V和5V,因此汽車電池正端(12V)短路通常會損壞HDMI接收器和發(fā)送器。如果HDMI接口交流耦合,則HDMI Rx和Tx之間的共模電壓不會損壞IC。此外,還需要一個過壓保護電路來保護HDMI DDC線路,因為這些線路不能交流耦合。圖2顯示如何實施STB和STG保護的高電平示例。HDMI Tx和HDMI Rx交流耦合電路設計為成對使用。

  

  圖2:HDMI的STB和STG保護CCT框圖

  PCB設計注意事項

  在為HDMI TMDS線路添加STB保護電路時,我們面臨的一個很大難題是不能影響線路性能或其匹配阻抗。為了滿足兼容性要求,建議讓STB保護電路盡可能接近HDMI TMDS走線。這樣可以最大程度減小走線之外的分支線長度,并降低由于分支線而產生反射的可能性。

  如何在HDMI TX上實施交流耦合?

  圖3顯示在HDMI Tx TMDS線路上實施交流耦合可以使用的一種電路。交流耦合電容提供STB和STG隔離,并且應當在TMDS頻率下視為短路。必須能耐受18V直流電壓。由于汽車電池的輸出通常為12V,交流發(fā)電機輸出約為14.5V,因此STB測試通常使用18V電壓,以提供一些安全裕量。

  HDMI Tx切換電流源,需要為3.3V電壓提供上拉電阻。這里顯示了100 Ω上拉電阻的作用。TMDS線路差分對的每條線路必須具有50Ω的交流阻抗。此處未顯示該阻抗,但在下游HDMI Rx有第二個50Ω串聯內部上拉電阻。將100Ω上拉電阻與兩個50Ω電阻(相互串聯)并聯,總阻抗為50Ω。

  RCLAMP0524PA TVS(瞬變電壓抑制器)器件提供ESD保護。RCLAMP0524PA的引腳間電容僅為0.3pF。這一特點使得它能夠在工作頻率超過3GHz的電路上使用,而不產生信號衰減。它能夠針對+/-15Kv氣隙放電和+/-8Kv接觸放電提供ESD保護。

  HDMI TX交流耦合測試

  圖3所示電路按照以下方式構建和測試:為驗證電池短路保護電路,我們將每個TMDS線路短路連接18V電池,隨后對HDMI Tx進行功能測試,以確保它沒有損壞。經過測試,該電路在27MHz、74MHz、148MHz和165MHz頻率下符合HDMI兼容性規(guī)范。唯一的問題出現在低電平輸出電壓(VL)測試中。但是,HDMI Rx交流耦合電路中的ADV7612可以耐受更高的VL電平。事實證明,此電路在遠高于HDMI E型汽車連接器的74MHz頻率的工作頻率下運行良好。

  

  圖3:TMDS線路上的HDMI TX交流耦合

  如何在HDMI RX上實施交流耦合?

  在圖4中的電路中,HDMI RX為交流耦合,以應對STB和STG故障條件。交流耦合電容阻止共模電壓,并保護HDMI Rx以避免在STB和STG條件下損壞。上游HDMI Tx必須為交流耦合,才能讓此電路正常工作。如果HDMI Tx為直流耦合,它可能無法檢測每個差分對的100Ω電阻的正確端接。RCLAMP0524器件提供必要的ESD保護。2KΩ上拉電阻用作滲漏電阻,必須選擇正確的電阻值,以應對在STB和STG條件下增大的電流。例如,在STB條件下:

  P= (V2)/R= 182/2000= 0.162瓦

  

  圖4:HDMI RX TMDS交流耦合電路

  HDMI Rx交流耦合測試

  這是適合汽車應用的首選電路;HDMI Rx和Tx AC耦合電容之間的唯一電路是泄漏電阻。此電路經過驗證,不受電池短路和接地短路條件的影響。它還通過了最高165MHz頻率下的HDMI TMDS兼容性測試,該頻率也是ADV7511W上游發(fā)送器的上限值。圖5顯示了數據通道1的差分阻抗測試結果。允許的最大差分阻抗為115Ω,最小差分阻抗為85Ω。

  

  圖5:TMDS差分阻抗測試

  如何讓其他HDMI Rx線路能夠耐受STB和STG?

  圖6 HDMI RX DDC、CEC和 +5V線路的STB 和STG保護電路 顯示用于為HDMI DDC線路、CEC和+5V線路提供STB保護的電路。每個線路上都有MOSFET開關。正常工作條件下,一旦向MOSFET的柵極施加+5V電壓,它的作用就像開關一樣,將源極連接至漏極。如果出現STB條件,MOSFET晶體管柵極的漏極電壓將開始上升至+5V以上,從而將其關閉。在選擇這種N溝道MOSFET時,有幾個重要設計注意事項:

  - 它的柵極-漏極和漏極-源極擊穿電壓必須大于18V。

  - 它必須有非常小的輸出電容。

  - DDC_SCL和DDC_SDA的線路電容必須小于50pF才能通過HDMI兼容性測試。此電容包括來自HDMI連接器的走線電容、由于MOSFET開關產生的總電容、HDMI接收器DDC引腳的電容。

  如果漏極至源極的壓降大于0.5V,則Vscl(測試ID 8-9)也將會失敗。Vscl測試將測量來自DDC SCL的輸出電壓,且必須在4.5V至5.5V范圍內。

  

  圖6:HDMI RX DDC、CEC和+5V線路的STB和STG保護電路

  HDMI Rx DDC CEC和+5V線路的STB保護電路… 通過HDMI兼容性測試的設計技巧

  我們使用幾種不同類型的視頻源構建和測試此電路。HDMI Tx能夠使用DDC SDA和SCL線路讀取E-EDID,且HDCP加密工作正常。在實施此電路之前,系統(tǒng)設計人員還需要認真考慮以下幾個問題。

  CEC線路電阻(HDMI兼容性測試ID 8-13):此測試可測量PCB上HDMI輸入至HDMI輸出(如果有)的CEC阻抗。由于此測試在PCB電源關閉的情況下進行,因此測試將會失敗。當PCB電源關閉時,MOSFET關閉,使CEC線路斷開連接。

  CEC線路電容(HDMI兼容性測試ID 8-9):如果PCB上有多個HDMI Rx,次測試可能失敗,具體取決于所選的MOSFET。對于CEC非根器件,測試限值小于150pF。各CEC線路上每個MOSFET開關的電容將會增加,因為它們都會并聯。

  如何讓HDMI TX DDC、CEC和HPD線路能夠耐受STB和STG?

  圖7 HDMI TX DDC、CEC、HPD和5V的STB和STG保護電路 顯示讓DDC、CEC和HPD線路能夠耐受STB和STG條件所必需的電路。它類似于HDMI Rx DDC電路,不同之處在于+5V線路和熱插拔檢測線路的處理。如果5V線路上發(fā)生STB事件,該線路上的二極管將會關閉。選擇的二極管應該具備較低的開啟電壓、快速的開啟時間、大于21V的反向擊穿電壓。4.7KΩ電阻和齊納二極管可保護熱插拔檢測線路,防止在STB情況下受損。

  

  圖7:HDMI TX DDC、CEC、HPD和5V的STB和STG保護電路

  HDMI Tx DDC線路的STB保護電路… 通過HDMI兼容性測試的設計技巧

  以上的DDC Tx電路經過驗證,并且通過HDMI兼容性測試。HDMI Tx可以使用DDC SDA SCL線路讀取下游E-EDID,且HDCP加密工作正常。設計時有一點很重要,+5V線路上的二極管必須具有小于200mV的正向壓降,同時電流為55mA,這樣才能通過HDMI兼容測試(測試ID 7-11)。

  總結

  使用ADV7511W HDMI發(fā)送器和ADV7612W HDMI接收器來測試本文中所示的全部HDMI電路。它們都是ADI公司提供的汽車應用級IC。

  ADV7612W是一種225MHz低功耗雙輸入HDMI接收器。它支持HDMI 1.4A中定義的所有強制性3D電視格式。它還能夠將音頻從HDMI流提取至音頻輸出端口。它的額定溫度范圍為-40℃至+85℃。

  ADV7511W是一種165 MHz HDMI發(fā)送器,適合汽車信息娛樂系統(tǒng)應用。ADV7511W支持HDMI v1.4a功能,包括擴展色度、高比特率音頻和3D視頻。ADV7511W的額定溫度范圍為-40℃至+105℃。



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