HDMI 1.3a協(xié)議采用iCoupler隔離技術實現(xiàn)電氣隔離

電路功能與優(yōu)勢

為高速接口添加電氣隔離一直以來都不是一項簡單的工作。數(shù)據(jù)速率高于250 Mbps時，就已超過光耦合器和大部分電子隔離器的容量范圍，迫使系統(tǒng)設計人員采用更為復雜的技術，例如光纖。ADI公司的iCoupler^?技術可以在數(shù)據(jù)速率超過1 Gbps時，隔離低壓差分信號(LVDS)物理層，以此降低同時需要隔離和高帶寬的系統(tǒng)的復雜性。手術內鏡和顯示屏監(jiān)測器之間的接口就是一個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接收設備之間提供完全隔離的連接。信號和電源隔離確保HDMI源（例如，醫(yī)用內窺鏡或機器故障監(jiān)控攝像機）和HDMI接收端（例如，攝像機控制模塊或工業(yè)顯示器）之間能夠安全、無噪連接。

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

目前存在多個HDMI標準。圖1所示電路符合1.3a版HDMI標準的要求。圖1包含高速、轉最小化傳輸差分信號(TMDS)時鐘和數(shù)據(jù)線，它們通過物理層上的電流模式邏輯(CML)實施。

圖1中所示的電路也對消費電子控制(CEC)、熱插拔檢測(HPD)和顯示數(shù)據(jù)通道(DDC)信號提供雙向隔離。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標準的要求，為HDMI接收設備提供275 mW隔離電源。

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

圖1.EVAL-CN0422-EBZ的簡化電路圖

電路說明

圖2所示為電源隔離和1.3a版HDMI信號隔離的簡化電路圖。編號1至5顯示流經HDMI源和HDMI接收端之間的ADN4654、ADuM1250和ADuM5020設備的啟動通信序列。

圖2.隔離HDMI信號流程圖

第1步：電源

1.3a版HDMI標準規(guī)定，5 V電壓時，HDMI源必須能夠為HDMI接收設備提供55 mA電流。為了保證隔離設計達到這一要求，CN-0422采用了一個  ADuM5020  isoPower DC-DC轉換器（參見圖1）。通過DDC + 5 V線路，為HDMI接收設備以及兩個ADuM1250 I²C隔離器提供隔離電源。第2個  ADuM5020  設備通過2.5 V降壓調節(jié)器  ADP5302  ，為  ADN4654  的輔面提供隔離電源。

第2步：熱插拔檢測(HPD)

當HDMI源和接收設備通過HDMI線纜連接至  EVAL-CN0422-EBZ  時，通過HPD信號啟動通信序列。接收設備通過  ADuM1250  I²C隔離器拉高HPD信號，向源表明，它已準備好通過顯示數(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標稱數(shù)據(jù)速率和最大400 kHz數(shù)據(jù)速率運行的I²C協(xié)議。HDMI源設備使用DDC，通過雙向  ADuM1250  I²C  隔離器，讀取來自接收設備的擴展顯示識別數(shù)據(jù)(EDID)。HDMI源使用EDID來確定哪些音頻/視頻格式在HDMI接收設備上可用。DDC通道也被用于實施高帶寬數(shù)字內容保護(HDCP)。

第4步：消費電子控制（CEC）

CEC使用具備與I2C類似的物理層的協(xié)議，以200 Hz運行。CEC協(xié)議在用戶環(huán)境中的所有音頻-視頻設備之間，通過  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個通過HDMI連接的啟用了CEC的設備（例如遠程控制電視機來設置DVD播放器）。

第5步：轉換最小化差分信號(TMDS)

TMDS信號由三個數(shù)據(jù)對和一個時鐘對組成：數(shù)據(jù)0±、數(shù)據(jù)1±、數(shù)據(jù)2±，以及時鐘±。三個差分數(shù)據(jù)對在每個時鐘周期內發(fā)送10位，同時攜帶高速視頻和音頻數(shù)據(jù)。TMDS時鐘和數(shù)據(jù)線在物理層上通過CML實施。

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

要在CML和LVDS之間實現(xiàn)耦合，使用100 ?上拉電阻來正確終止來自HDMI源的CML信號。需要采用耦合電容(10 nF)來去除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之間實現(xiàn)耦合，需使用10 nF電容來去除  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。因為HDMI接收設備的片內不包含內部偏壓，所以必須在印刷電路板(PCB)電平上實施偏壓。要在HDMI接收設備上偏置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標準版本（比HDMI V1.3a更新）都要求HDMI以太網音頻控制(HEAC)合規(guī)。圖1和圖2中所示的電路未包含設備之間共享的以太網（互聯(lián)網）的HEAC信號隔離。

*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用。對于醫(yī)療應用，本設計滿足250 V rms系統(tǒng)中一項患者防護措施(MOPP)或一項手術人員保護(MOOP)措施對耐受電壓和爬電距離的要求。

此設計中采用的每個數(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電氣隔離的應用中的相關設備。這個5 kV設計滿足250 V rms系統(tǒng)中與兩項手術人員保護(MOOP)措施相關的IEC 60601-1要求，滿足250 V rms系統(tǒng)中與一項患者防護措施(MOPP)相關，或者125 V rms系統(tǒng)中與2 MOPP相關的要求。

表1.隔離等級比較

電路評估與測試

*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，同時仍然保持無位誤差通信。

CMTI很重要，因為高壓擺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25,000 V/μs共模瞬變時，保證正常運行且不損壞數(shù)據(jù)。

*系統(tǒng)合規(guī)測試

本節(jié)描述使用  EVAL-CN0422-EBZ  實施的HDMI源合規(guī)測試。共采用  EVAL-CN0422-EBZ  輸出通過了14次合規(guī)測試，包括時鐘抖動、數(shù)據(jù)通道眼圖和抖動、時鐘和數(shù)據(jù)通道的上升和下降時間，以及最大/最小時鐘占空比。

圖3、圖4、圖5和圖6記錄了執(zhí)行的HDMI源合規(guī)測試，以及相應的測試結果。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)測試的眼圖。

圖3.HDMI源合規(guī)測試的眼圖，576p

圖4.HDMI源合規(guī)測試的眼圖，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，對應的HDMI源合規(guī)測試的報告。

圖5.HDMI源合規(guī)測試報告，576p

圖6.HDMI源合規(guī)測試報告，720p

*系統(tǒng)兼容測試

使用ADI公司的  EVAL-ADV7625-SMZ  評估板實施系統(tǒng)兼容測試。  ADV7625  是一個3 GHz HDMI 5:2交叉點收發(fā)器。系統(tǒng)兼容測試表明，與標準非隔離顯示器相比，電氣隔離顯示器在視覺質量上的損失為零。

實施系統(tǒng)兼容測試所需的設備

實施系統(tǒng)兼容測試需要使用以下設備：

?  HDMI音頻和視頻源（DVD播放器）

?  EVAL-CN0422-EBZ電路評估板

?  EVAL-ADV7625-SMZ視頻評估板

?  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1米

?  USB與RS-232之間的連接線纜。

?  兩個帶HDMI輸入的顯示器/顯示屏

開始使用

使用  EVAL-ADV7625-SMZ  視頻評估板時，請參考  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，在  EVAL-ADV7625-SMZ  的J15上安裝一個跳線。如需查看完整的設置細節(jié)，請參考  CN-0422  用戶指南。

按照  UG-603  用戶指南的說明（115,200波特、8數(shù)據(jù)位、無奇偶校驗、一個停止位、無流量控制）配置終端窗口。輸入命令  hdmia a  和  hdmia b  ，設置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)兼容測試的框圖。

EVAL-ADV7625-SMZ  接收一個來自源的HDMI輸入，然后生成兩個完全相同的HDMI輸出。  EVAL-ADV7625-SMZ  輸出1和接收端（顯示器1）通過 EVAL-CN0422-EBZ  連接，這與第二個通道不同，對于后者，  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)兼容測試

測試

EVAL-ADV7625-SMZ  配置完成之后，采取以下步驟：

1.將一個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/音頻源會在這兩個顯示器上顯示。檢查兩個顯示器，確認隔離HDMI是透明的；顯示器1和顯示器2看起來完全相同。