HDMI 1.3a協議采用iCoupler隔離技術實現電氣隔離

電路功能與優勢

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。數據速率高于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^?技術可以在數據速率超過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的復雜性。手術內鏡和顯示屏監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，醫用內窺鏡或機器故障監控攝像機）和HDMI接收端（例如，攝像機控制模塊或工業顯示器）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字引腳之間的接地連接，增加系統安全性和魯棒性，進而消除系統中可能存在的接地環路。

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)時鐘和數據線，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)和顯示數據通道(DDC)信號提供雙向隔離。為高速和雙向數據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據通道(DDC)接收命令。

第3步：顯示器數據通道(DDC)

雙向DDC使用按100 kHz標稱數據速率和最大400 kHz數據速率運行的I²C協議。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據(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類似的物理層的協議，以200 Hz運行。CEC協議在用戶環境中的所有音頻-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信號由三個數據對和一個時鐘對組成：數據0±、數據1±、數據2±，以及時鐘±。三個差分數據對在每個時鐘周期內發送10位，同時攜帶高速視頻和音頻數據。TMDS時鐘和數據線在物理層上通過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。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。對于醫療應用，本設計滿足250 V rms系統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系統中與一項患者防護措施(MOPP)相關，或者125 V rms系統中與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，破壞數據。ADuM1250  和  ADN4654  是具有出色的CMTI性能的耐用型數字隔離器，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據。

*系統合規測試

本節描述使用  EVAL-CN0422-EBZ  實施的HDMI源合規測試。共采用  EVAL-CN0422-EBZ  輸出通過了14次合規測試，包括時鐘抖動、數據通道眼圖和抖動、時鐘和數據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記錄了執行的HDMI源合規測試，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源合規測試的眼圖。

圖3.HDMI源合規測試的眼圖，576p

圖4.HDMI源合規測試的眼圖，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源合規測試的報告。

圖5.HDMI源合規測試報告，576p

圖6.HDMI源合規測試報告，720p

*系統兼容測試

使用ADI公司的  EVAL-ADV7625-SMZ  評估板實施系統兼容測試。  ADV7625  是一個3 GHz HDMI 5:2交叉點收發器。系統兼容測試表明，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。

實施系統兼容測試所需的設備

實施系統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，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數據位、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。