HDMI1.3a協議采用iCoupler隔離技術實現電氣隔離（一）

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。