【導(dǎo)讀】本文介紹了一種面向醫(yī)用級(jí)工業(yè)計(jì)算機(jī)的電氣隔離HDMI接口，可在滿足IEC 60601-1 MOPP/MOOP安全要求的同時(shí)，支持高達(dá)1080p @ 60Hz的高速視頻傳輸。本文提出的架構(gòu)以高速LVDS數(shù)字隔離器為基礎(chǔ)，采用交流耦合和精心設(shè)計(jì)的偏置與端接網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了TMDS CML域與LVDS域之間的轉(zhuǎn)換，同時(shí)確保符合HDMI物理層規(guī)范。這種方法也適用于其他需要數(shù)Gbps數(shù)據(jù)速率和2×MOPP保護(hù)的醫(yī)療和工業(yè)成像鏈路。
簡(jiǎn)介：醫(yī)用級(jí)工業(yè)PC
工業(yè)個(gè)人計(jì)算機(jī)(IPC)本質(zhì)上是一種以CPU、內(nèi)存和存儲(chǔ)為核心的計(jì)算平臺(tái)，側(cè)重于在嚴(yán)苛環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，而非面向消費(fèi)者或辦公場(chǎng)景。與消費(fèi)級(jí)PC相比，IPC更注重可靠性、使用壽命和環(huán)境耐受性，并且通常需要通過(guò)嚴(yán)苛的溫度、振動(dòng)和機(jī)械測(cè)試。
在醫(yī)療健康領(lǐng)域，醫(yī)用級(jí)工業(yè)計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)（CT、MRI、超聲波）、床邊推車、手術(shù)室集成系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化。它們必須符合醫(yī)療安全和電磁兼容性(EMC)標(biāo)準(zhǔn)，例如IEC/EN 60601-1和IEC/EN 60601-1-2。同時(shí)，它們必須采用易于清潔的抗菌外殼和無(wú)風(fēng)扇、低噪聲的散熱設(shè)計(jì)，以滿足醫(yī)院的感染防控與靜音使用要求。
醫(yī)用級(jí)工業(yè)計(jì)算機(jī)的安全和隔離要求
與通用工業(yè)計(jì)算機(jī)相比，醫(yī)用級(jí)工業(yè)計(jì)算機(jī)的最大區(qū)別在于，必須符合醫(yī)療安全標(biāo)準(zhǔn)，特別是在涉及患者接觸時(shí)，對(duì)電氣安全和EMC有嚴(yán)格要求。國(guó)際上主要采用兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)：IEC 60601-1，規(guī)定了醫(yī)用電氣設(shè)備的基本安全和核心性能要求；IEC 60601-1-2，明確了EMC方面的要求。這些標(biāo)準(zhǔn)限定了允許流過(guò)患者和操作人員的漏電流值，并對(duì)絕緣類型、爬電距離、電氣間隙和介電強(qiáng)度提出了明確要求。
IEC 60601-1引入了患者防護(hù)措施(MOPP)和操作人員防護(hù)措施(MOOP)的概念。醫(yī)療設(shè)備必須通過(guò)機(jī)械設(shè)計(jì)和絕緣系統(tǒng)提供一種或兩種獨(dú)立的防護(hù)措施，目的是確保任何I/O接口（如USB、HDMI、以太網(wǎng)或電源）都無(wú)法通過(guò)接地或其他公共參考路徑使患者接觸到危險(xiǎn)電流。緊湊、高性能的醫(yī)用IPC要求對(duì)電氣隔離邊界進(jìn)行精細(xì)劃分，并采用經(jīng)過(guò)醫(yī)療認(rèn)證的隔離電源域。參見(jiàn)表1。
表1：IEC 60601-1關(guān)于MOOP和MOPP的規(guī)范
高速信號(hào)隔離面臨的設(shè)計(jì)難題
采用高速接口的系統(tǒng)要滿足上述安全和隔離要求，往往會(huì)面臨一些實(shí)際挑戰(zhàn)。標(biāo)準(zhǔn)隔離器件通常支持100Mbps左右的數(shù)據(jù)速率。對(duì)于USB 2.0、USB 3.0等高速接口，或?qū)τ谕瑯有枰姎飧綦x的高帶寬視頻鏈路（HDMI、MIPI CSI），標(biāo)準(zhǔn)隔離器已難以勝任。設(shè)計(jì)人員至少需要關(guān)注以下三個(gè)方面。
1. 隔離帶寬：隔離器必須支持接口所需的高數(shù)據(jù)速率。
2. 協(xié)議兼容的物理層轉(zhuǎn)換：隔離器的前端和后端必須具備與相應(yīng)接口標(biāo)準(zhǔn)兼容的電氣特性。
3. 信號(hào)完整性(SI)：眼圖開(kāi)度、抖動(dòng)和偏斜必須控制在高速標(biāo)準(zhǔn)的合規(guī)限值以內(nèi)。
本文以HDMI為代表性示例，闡述了ADI公司如何實(shí)現(xiàn)能夠滿足2× MOPP隔離要求的高速電氣隔離方案。同樣的設(shè)計(jì)理念可以推廣到其他高速接口。
從HDMI隔離開(kāi)始
HDMI視頻鏈路的規(guī)格通常由分辨率和刷新率來(lái)定義，例如1280 × 720 (720p) @ 60Hz。HDMI使用的是最小化傳輸差分信號(hào)(TMDS)。TMDS比特率由像素時(shí)鐘決定，而像素時(shí)鐘又由包含消隱間隔在內(nèi)的總時(shí)間決定。
令Htotal和Vtotal分別表示包含活動(dòng)視頻和消隱在內(nèi)的水平和垂直像素總數(shù)，令fframe表示幀率，則像素時(shí)鐘為
? Htotal = Hactive + Hblanking
? Vtotal = Vactive + Vblanking
? fframe：刷新率(Hz)；例如60Hz
TMDS采用8b/10b線路編碼，因此每條TMDS數(shù)據(jù)通道的比特率為
三條數(shù)據(jù)通道的總TMDS比特率為
在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，對(duì)于720p @ 60Hz和1080p @ 60Hz等常見(jiàn)視頻模式，設(shè)計(jì)人員通常使用標(biāo)準(zhǔn)化像素時(shí)鐘。例如，720p @ 60Hz使用74.25MHz像素時(shí)鐘，而1080p @ 60Hz使用148.5MHz像素時(shí)鐘。計(jì)算TMDS比特率的簡(jiǎn)便方法是：
因此，要實(shí)現(xiàn)720p @ 60Hz HDMI鏈路的電氣隔離，隔離通道須支持至少每通道742.5Mbps的帶寬；對(duì)于1080p @ 60Hz鏈路，至少須支持每通道1.485Gbps的帶寬。
ADI目前提供多款高速LVDS數(shù)字隔離器，例如ADN4624。該器件有四個(gè)通道，每通道2.5Gbps，支持5.7kV rms隔離，滿足2× MOPP要求。這種帶寬和隔離度足以支持HDMI鏈路的三條TMDS數(shù)據(jù)通道，同時(shí)也滿足醫(yī)療安全要求。
HDMI信號(hào)結(jié)構(gòu)和隔離策略
為確保隔離鏈路完全符合HDMI規(guī)范，了解HDMI接口的組成至關(guān)重要，如圖1所示。
TMDS高速數(shù)據(jù)和時(shí)鐘通道
HDMI 使用四個(gè)差分對(duì)（八個(gè)引腳）進(jìn)行高速傳輸。
? 三個(gè)TMDS數(shù)據(jù)通道（數(shù)據(jù)0-2）：用于傳輸RGB視頻數(shù)據(jù)、音頻信息和輔助數(shù)據(jù)。
? 一個(gè)TMDS時(shí)鐘通道：提供接收器使用的參考時(shí)鐘，用于對(duì)數(shù)據(jù)通道進(jìn)行采樣。
數(shù)據(jù)采用8b/10b編碼方式進(jìn)行編碼，以控制轉(zhuǎn)換密度和直流平衡。
顯示數(shù)據(jù)通道(DDC)
DDC由兩條線路（SCL時(shí)鐘線路和SDA數(shù)據(jù)線路）組成。它由源設(shè)備（如PC）使用，讀取顯示器的擴(kuò)展顯示識(shí)別數(shù)據(jù)(EDID)，EDID用于說(shuō)明支持的分辨率和格式。
消費(fèi)電子控制(CEC)
CEC是一種單線總線，支持通過(guò)單個(gè)遙控器操作多臺(tái)HDMI連接的設(shè)備，例如通過(guò)電視遙控器控制機(jī)頂盒。
熱插拔檢測(cè)(HPD)
HPD線路用于指示接收器的連接狀態(tài)。當(dāng)顯示器接入或通電時(shí)，HPD會(huì)改變狀態(tài)，通知源設(shè)備啟動(dòng)或重新配置視頻鏈路。
電源和接地
HDMI連接器提供5V電源，即使顯示器的主電源關(guān)閉，EDID也可讀取。屏蔽和接地連接用于確保參考信號(hào)的完整性且噪聲受到抑制。
高級(jí)通道（HEAC：HDMI以太網(wǎng)和音頻回傳通道）
對(duì)于支持高級(jí)特性的線纜和設(shè)備，部分引腳可重新定義，用于以太網(wǎng)數(shù)據(jù)和音頻回傳通道(ARC/eARC)，讓電視音頻能夠回傳至AV接收器。
從隔離角度看，HDMI接口可以劃分為：
? 四對(duì)高速TMDS差分信號(hào)（三對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào) + 一對(duì)時(shí)鐘信號(hào)）
? 多種低速控制和狀態(tài)信號(hào)（DDC、CEC、HPD、HEAC和5V）
DDC和CEC是開(kāi)漏、雙向低速信號(hào)，兩者的隔離設(shè)計(jì)都必須保留I2C類總線行為（支持EDID讀取和CEC仲裁）及相應(yīng)的電壓電平。因此，這些線路需要雙向數(shù)字隔離器。HPD是一種單向狀態(tài)信號(hào)，可使用單向隔離器。
圖1：HDMI引腳定義
對(duì)于隔離式HDMI設(shè)計(jì)，隔離器選擇的典型策略如下（見(jiàn)圖2）。
? 高速TMDS通道：LVDS千兆隔離器（例如ADN4624），用于傳輸串行高速數(shù)據(jù)和時(shí)鐘信號(hào)。
? DDC和CEC：支持開(kāi)漏行為的雙向I2C/低速隔離器。
? HPD和其他單向信號(hào)：簡(jiǎn)易的單向數(shù)字隔離器。
圖2：采用ADuM4070、ADuM321N、ADuM1252、ADN4624和AD8195的隔離式HDMI的框圖
利用交流耦合和偏置網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)TMDS CML到LVDS的轉(zhuǎn)換
這種設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是HDMI TMDS物理層與LVDS隔離器之間的接口。TMDS采用電流模式邏輯(CML)。
CML使用恒流源和外部50Ω上拉電阻，將每條線路的電壓上拉至3.3V以形成差分對(duì)。
接收器需要一個(gè)以3.3V為基準(zhǔn)的100Ω差分負(fù)載（兩個(gè)50Ω端接電阻），典型差分?jǐn)[幅為幾百毫伏。
相比之下，ADN4624/ADN4654等器件是LVDS收發(fā)器。
這些器件是電壓模式差分驅(qū)動(dòng)器/接收器，具有100Ω的差分特性阻抗。
可接受的共模電壓通常在1V至1.5V左右，明顯低于TMDS的3.3V。
TMDS轉(zhuǎn)LVDS的關(guān)鍵步驟如下。
第1步：為HDMI源提供適當(dāng)?shù)腡MDS端接。
每條TMDS線路均采用等效100Ω電阻（例如用兩個(gè)50Ω電阻實(shí)現(xiàn)）端接至3.3V，從而為HDMI源驅(qū)動(dòng)器提供正確的負(fù)載并保持100Ω差分阻抗。
第2步：完成差分對(duì)的交流耦合。
串聯(lián)電容（通常每條線10nF左右）會(huì)阻斷來(lái)自TMDS端的直流共模電壓，僅允許差分信號(hào)的交流分量通過(guò)。
第3步：重新建立合適的LVDS共模電壓和端接。
在隔離器的LVDS輸入端，兩個(gè)輸入引腳之間連接一個(gè)200Ω差分端接電阻。該電阻與內(nèi)部端接電阻一起，為輸入信號(hào)提供正確的等效負(fù)載。
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圖3：HDMI和LVDS之間的信號(hào)電壓轉(zhuǎn)換
此外，通過(guò)一個(gè)偏置網(wǎng)絡(luò)（例如電阻分壓器：每條輸入線路上使用10kΩ上拉至3.3V，并使用10kΩ下拉至地），將共模電壓設(shè)置為約1V。通過(guò)該偏置網(wǎng)絡(luò)，兩條線路形成LVDS所需的共模電壓，而交流耦合差分?jǐn)[幅疊加于其上。
采用這種方法可以有效地將原始TMDS CML波形轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)VDS兼容的差分波形，而不會(huì)違反任何一端的直流工作條件。在隔離柵之后可以應(yīng)用對(duì)稱結(jié)構(gòu)，將LVDS轉(zhuǎn)換回TMDS兼容的CML環(huán)境，用于HDMI接收器，如圖3所示。
通過(guò)隔離保持HDMI信號(hào)完整性
除協(xié)議兼容性之外，隔離后的HDMI鏈路還必須通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)性測(cè)試。這些測(cè)試對(duì)以下指標(biāo)有嚴(yán)格限制：
? 時(shí)鐘和數(shù)據(jù)抖動(dòng)
? 眼圖罩裕量
? 上升/下降時(shí)間
? 對(duì)間和對(duì)內(nèi)偏斜
插入電氣隔離級(jí)會(huì)帶來(lái)附加抖動(dòng)、幅度損失和阻抗不連續(xù)等問(wèn)題，從而很容易削弱這些指標(biāo)。
為確保信號(hào)質(zhì)量，建議采用以下技術(shù)：
1. 損耗和均衡管理。
應(yīng)控制走線阻抗，讓差分對(duì)盡可能短而直，從而盡量減少PCB走線、連接器和隔離元件造成的累積損耗。針對(duì)更長(zhǎng)鏈路或更高分辨率，可使用AD8195等HDMI緩沖器/均衡器來(lái)補(bǔ)償高頻損耗與邊緣劣化。
2. 幅度和端接控制。
TMDS幅度過(guò)低或出現(xiàn)過(guò)大的過(guò)沖/下沖，通常表明CML到LVDS的偏置或端接存在問(wèn)題，或者交流耦合電容和靜電放電(ESD)器件的插入損耗過(guò)大。
3. 偏斜管理。
四個(gè)TMDS差分對(duì)（時(shí)鐘加三個(gè)數(shù)據(jù)通道）必須保持嚴(yán)格的長(zhǎng)度匹配，既要控制對(duì)內(nèi)偏斜，也要控制對(duì)間偏斜。多次電路板轉(zhuǎn)換或過(guò)長(zhǎng)的繞行路徑，可能導(dǎo)致接收器出現(xiàn)采樣錯(cuò)誤。
4. 隔離間隙和參考平面策略。
為滿足MOPP/MOOP的爬電距離和電氣間隙要求，接地層和電源層必須在隔離邊界處物理分離。但從信號(hào)完整性的角度看，隔離柵的每一側(cè)仍應(yīng)保持一個(gè)穩(wěn)固的參考平面，且該平面一直延伸到隔離器引腳。
只有在隔離器封裝正下方及其周邊極小范圍內(nèi)，才允許去除銅皮，以提供所需的隔離距離。高速差分對(duì)不應(yīng)長(zhǎng)距離跨越參考平面缺口或大尺寸開(kāi)槽區(qū)域，以免增加阻抗不連續(xù)性和電磁干擾(EMI)。
5. 隔離電源和EMI控制。
隔離電源必須采用適當(dāng)?shù)腖C濾波并精心布局（縮短電流環(huán)路、正確劃分分離接地），防止開(kāi)關(guān)噪聲耦合到TMDS線路中。
推廣到其他應(yīng)用
上述方法并不局限于HDMI，可以推廣到一系列高速、安全關(guān)鍵型應(yīng)用，例如：
機(jī)器視覺(jué)和工業(yè)攝像頭接口。
諸如Camera Link、GigE Vision和定制化LVDS流傳輸鏈路等接口，具有相同的基本特性：高數(shù)據(jù)速率差分對(duì)和嚴(yán)格的電氣隔離要求。ADN46xx系列LVDS隔離器可利用類似的交流耦合和偏置方案來(lái)適應(yīng)這些鏈路需求。
醫(yī)療/工業(yè)人機(jī)接口(HMI)和手術(shù)室顯示屏。
無(wú)論視頻鏈路接口為HDMI、DisplayPort還是專有LVDS，只要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)涉及將患者端影像傳輸至手術(shù)室顯示屏，或?qū)F(xiàn)場(chǎng)攝像頭畫(huà)面?zhèn)鬏斨吝h(yuǎn)程控制室，都可以采用這種隔離策略并從中受益。信號(hào)質(zhì)量和安全性方面的設(shè)計(jì)考量與HDMI應(yīng)用場(chǎng)景類似。
結(jié)論
隔離HDMI等高速接口的核心挑戰(zhàn)在于，如何在數(shù)Gbps的數(shù)據(jù)速率下保持信號(hào)完整性，同時(shí)滿足嚴(yán)格的醫(yī)療和工業(yè)安全標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合高速數(shù)字隔離器和醫(yī)用級(jí)隔離電源模塊，上述設(shè)計(jì)可以滿足眼圖、抖動(dòng)和MOPP/MOOP要求。
在PCB層面上，保持隔離柵兩側(cè)的連續(xù)參考平面，并將這些平面的中斷限制在隔離器引腳附近，可以有效控制EMI和反射。總而言之，本文所述方法為醫(yī)療成像系統(tǒng)（如內(nèi)窺鏡）及更廣泛的工業(yè)和機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用中的電氣隔離視頻傳輸提供了穩(wěn)健且安全的基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn)
“CN-0571：采用iCoupler?隔離技術(shù)的電氣隔離全高清1080p/60Hz HDMI PHY”，ADI公司，2024年12月。
Mark Patrick，“Emerging Power Standards in the Medical Industry”，SmartAuto Magazine，2018年6月。
作者簡(jiǎn)介
Cindy Chang是工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用領(lǐng)域的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師，常駐中國(guó)臺(tái)灣。她2019年畢業(yè)于比利時(shí)魯汶大學(xué)，獲電子工程碩士學(xué)位，同年開(kāi)始為自動(dòng)化客戶提供技術(shù)支持。她于2023年加入ADI公司。
