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(shè)計人員采用更為復(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(fù)雜性,。手術(shù)內(nèi)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(shè)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(nèi)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(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(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(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1280p × 720p (720p)(60 Hz時)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(jīng)HDMI源和HDMI接收端之間的ADN4654、ADuM1250和ADuM5020設(shè)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,,5 V電壓時,HDMI源必須能夠為HDMI接收設(shè)備提供55 mA電流,。為了保證隔離設(shè)計達到這一要求,,CN-0422采用了一個ADuM5020 isoPower DC-DC轉(zhuǎn)換器(參見圖1)。通過DDC + 5 V線路,,為HDMI接收設(shè)備以及兩個ADuM1250 I2C隔離器提供隔離電源,。第2個ADuM5020設(shè)備通過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(HPD)
當(dāng)HDMI源和接收設(shè)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(shè)備通過ADuM1250 I2C隔離器拉高HPD信號,,向源表明,,它已準(zhǔn)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(biāo)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(shè)備使用DDC,,通過雙向ADuM1250 I2C隔離器,,讀取來自接收設(shè)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(shè)備上可用,。DDC通道也被用于實施高帶寬數(shù)字內(nèi)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(shè)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(shè)備(例如遠程控制電視機來設(shè)置DVD播放器),。
第5步:轉(zhuǎn)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?jǐn)?shù)據(jù)對在每個時鐘周期內(nèi)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(wǎng)絡(luò)允許在CML和LVDS電壓電平之間進行可靠的轉(zhuǎn)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(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。對于醫(yī)療應(yīng)用,,本設(shè)計滿足250 V rms系統(tǒng)中一項患者防護措施(MOPP)或一項手術(shù)人員保護(MOOP)措施對耐受電壓和爬電距離的要求,。
此設(shè)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(yīng)用中的相關(guān)設(shè)備,。這個5 kV設(shè)計滿足250 V rms系統(tǒng)中與兩項手術(shù)人員保護(MOOP)措施相關(guān)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(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(yīng)的測試結(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(yīng)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(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,。
實施系統(tǒng)兼容測試所需的設(shè)備
實施系統(tǒng)兼容測試需要使用以下設(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(shè)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(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(rèn)隔離HDMI是透明的,;顯示器1和顯示器2看起來完全相同,。