【导读】本文先容了一种面向医用级工业计较机的电气断绝HDMI接口，可于满意IEC 60601-1 MOPP/MOOP安全要求的同时，撑持高达1080p @ 60Hz的高速视频传输。本文提出的架构以高速LVDS数字断绝器为基础，采用交流耦合及精心设计的偏置与端接收集，实现了TMDS CML域与LVDS域之间的转换，同时确保切合HDMI物理层规范。这类要领也合用在其他需要数Gbps数据速度及2×MOPP掩护的医疗及工业成像链路。

简介：医用级工业PC

工业小我私家计较机(IPC)素质上是一种以CPU、内存及存储为焦点的计较平台，偏重在于严苛情况下持久不变运行，而非面向消费者或者办公场景。与消费级PC比拟，IPC更看重靠得住性、利用寿命及情况耐受性，而且凡是需要经由过程严苛的温度、振动及机械测试。

于医疗康健范畴，医用级工业计较机广泛运用在医学成像体系（CT、MRI、超声波）、床边推车、手术室集成体系及试验室主动化。它们必需切合医疗安全及电磁兼容性(EMC)尺度，例如IEC/EN 60601-1及IEC/EN 60601-1-2。同时，它们必需采用易在清洁的抗菌外壳及无电扇、低噪声的散热设计，以满意病院的传染防控与静音利用要求。

医用级工业计较机的安全及断绝要求

与通用工业计较机比拟，医用级工业计较机的最年夜区分于在，必需切合医疗安全尺度，尤其是于触及患者接触时，对于电气安全及EMC有严酷要求。国际上重要采用两项尺度：IEC 60601-1，划定了医用电气装备的基本安全及焦点机能要求；IEC 60601-1-2，明确了EMC方面的要求。这些尺度限制了答应流过患者及操作职员的泄电流值，并对于绝缘类型、爬电间隔、电气间隙及介电强度提出了明确要求。

IEC 60601-1引入了患者防护办法(MOPP)及操作职员防护办法(MOOP)的观点。医疗装备必需经由过程机械设计及绝缘体系提供一种或者两种自力的防护办法，目的是确保任何I/O接口（如USB、HDMI、以太网或者电源）都没法经由过程接地或者其他大众参考路径使患者接触到伤害电流。紧凑、高机能的医用IPC要求对于电气断绝界限举行邃密划分，并采用颠末医疗认证的断绝电源域。拜见表1。

表1：IEC 60601-1关在MOOP及MOPP的规范

高速旌旗灯号断绝面对的设计难题

采用高速接口的体系要满意上述安全及断绝要求，往往碰面临一些现实挑战。尺度断绝器件凡是撑持100Mbps摆布的数据速度。对于在USB 2.0、USB 3.0等高速接口，或者对于在一样需要电气断绝的高带宽视频链路（HDMI、MIPI CSI），尺度断绝器已经难以胜任。设计职员至少需要存眷如下三个方面。

1. 断绝带宽：断绝器必需撑持接口所需的高数据速度。

2. 和谈兼容的物理层转换：断绝器的前端及后端必需具有与响应接口尺度兼容的电气特征。

3. 旌旗灯号完备性(SI)：眼图开度、抖动及偏斜必需节制于高速尺度的合规限值之内。

本文以HDMI为代表性示例，论述了ADI公司怎样实现可以或许满意2× MOPP断绝要求的高速电气断绝方案。一样的设计理念可以推广到其他高速接口。

从HDMI断绝最先

HDMI视频链路的规格凡是由分辩率及刷新率来界说，例如1280 × 720 (720p) @ 60Hz。HDMI利用的是最小化传输差分旌旗灯号(TMDS)。TMDS比特率由像素时钟决议，而像素时钟又由包罗消隐距离于内的总时间决议。

令Htotal及Vtotal别离暗示包罗勾当视频及消隐于内的程度及垂直像素总数，令fframe暗示帧率，则像素时钟为

• Htotal = Hactive + Hblanking

• Vtotal = Vactive + Vblanking

• fframe：刷新率(Hz)；例如60Hz

TMDS采用8b/10b路线编码，是以每一条TMDS数据通道的比特率为

三条数据通道的总TMDS比特率为

于现实工程设计中，对于在720p @ 60Hz及1080p @ 60Hz等常见视频模式，设计职员凡是利用尺度化像素时钟。例如，720p @ 60Hz利用74.25MHz像素时钟，而1080p @ 60Hz利用148.5MHz像素时钟。计较TMDS比特率的简洁要领是：

是以，要实现720p @ 60Hz HDMI链路的电气断绝，断绝通道须撑持至少每一通道742.5Mbps的带宽；对于在1080p @ 60Hz链路，至少须撑持每一通道1.485Gbps的带宽。

ADI今朝提供多款高速LVDS数字断绝器，例如ADN4624。该器件有四个通道，每一通道2.5Gbps，撑持5.7kV rms断绝，满意2× MOPP要求。这类带宽及断绝度足以撑持HDMI链路的三条TMDS数据通道，同时也满意医疗安全要求。

HDMI旌旗灯号布局及断绝计谋

为确保断绝链路彻底切合HDMI规范，相识HDMI接口的构成至关主要，如图1所示。

TMDS高速数据及时钟通道

HDMI 利用四个差分对于（八个引脚）举行高速传输。

• 三个TMDS数据通道（数据0-2）：用在传输RGB视频数据、音频信息及辅助数据。

• 一个TMDS时钟通道：提供吸收器利用的参考时钟，用在对于数据通道举行采样。

数据采用8b/10b编码方式举行编码，以节制转换密度及直流均衡。

显示数据通道(DDC)

DDC由两条路线（SCL时钟路线及SDA数据路线）构成。它由源装备（如PC）利用，读取显示器的扩大显示辨认数据(EDID)，EDID用在申明撑持的分辩率及格局。

消费电子节制(CEC)

CEC是一种单线总线，撑持经由过程单个遥控器操作多台HDMI毗连的装备，例如经由过程电视遥控器节制机顶盒。

热插拔检测(HPD)

HPD路线用在唆使吸收器的毗连状况。当显示器接入或者通电时，HPD会转变状况，通知源装备启动或者从头配置视频链路。

电源及接地

HDMI毗连器提供5V电源，纵然显示器的主电源封闭，EDID也可读取。屏蔽及接地毗连用在确保参考旌旗灯号的完备性且噪声遭到按捺。

高级通道（HEAC：HDMI以太网及音频回传通道）

对于在撑持高级特征的线缆及装备，部门引脚可从头界说，用在以太网数据及音频回传通道(ARC/eARC)，让电视音频可以或许回传至AV吸收器。

从断绝角度看，HDMI接口可以划分为：

• 四对于高速TMDS差分旌旗灯号（三对于数据旌旗灯号 + 一对于时钟旌旗灯号）

• 多种低速节制及状况旌旗灯号（DDC、CEC、HPD、HEAC及5V）

DDC及CEC是开漏、双向低速旌旗灯号，二者的断绝设计都必需保留I2C类总线举动（撑持EDID读取及CEC仲裁）和响应的电压电平。是以，这些路线需要双向数字断绝器。HPD是一种单向状况旌旗灯号，可以使用单向断绝器。

图1：HDMI引脚界说

对于在断绝式HDMI设计，断绝器选择的典型计谋以下（见图2）。

• 高速TMDS通道：LVDS千兆断绝器（例如ADN4624），用在传输串行高速数据及时钟旌旗灯号。

• DDC及CEC：撑持开漏举动的双向I2C/低速断绝器。

• HPD及其他单向旌旗灯号：简略单纯的单向数字断绝器。

图2：采用ADuM4070、ADuM321N、ADuM125二、ADN4624及AD8195的断绝式HDMI的框图

使用交流耦合及偏置收集实现TMDS CML到LVDS的转换

这类设计的一个要害点是HDMI TMDS物理层与LVDS断绝器之间的接口。TMDS采用电流模式逻辑(CML)。

CML利用恒流源及外部50Ω上拉电阻，将每一条路线的电压上拉至3.3V以形成差分对于。

吸收器需要一个以3.3V为基准的100Ω差分负载（两个50Ω端接电阻），典型差分摆幅为几百毫伏。

比拟之下，ADN4624/ADN4654等器件是LVDS收发器。

这些器件是电压模式差分驱动器/吸收器，具备100Ω的差分特征阻抗。

可接管的共模电压凡是于1V至1.5V摆布，较着低在TMDS的3.3V。

TMDS转LVDS的要害步调以下。

第1步：为HDMI源提供适量的TMDS端接。

每一条TMDS路线均采用等效100Ω电阻（例如用两个50Ω电阻实现）端接至3.3V，从而为HDMI源驱动器提供准确的负载并连结100Ω差分阻抗。

第2步：完成差分对于的交流耦合。

串联电容（凡是每一条线10nF摆布）会阻断来自TMDS真个直流共模电压，仅答应差分旌旗灯号的交流份量经由过程。

第3步：从头成立适合的LVDS共模电压及端接。

于断绝器的LVDS输入端，两个输入引脚之间毗连一个200Ω差分端接电阻。该电阻与内部端接电阻一路，为输入旌旗灯号提供准确的等效负载。

图3：HDMI及LVDS之间的旌旗灯号电压转换

此外，经由过程一个偏置收集（例如电阻分压器：每一条输入路线上利用10kΩ上拉至3.3V，并利用10kΩ下拉至地），将共模电压设置为约1V。经由过程该偏置收集，两条路线形成LVDS所需的共模电压，而交流耦合差分摆幅叠加在其上。

采用这类要领可以有用地将原始TMDS CML波形转换为LVDS兼容的差分波形，而不会违背任何一真个直流事情前提。于断绝栅以后可以运用对于称布局，将LVDS转换回TMDS兼容的CML情况，用在HDMI吸收器，如图3所示。

经由过程断绝连结HDMI旌旗灯号完备性

除了和谈兼容性以外，断绝后的HDMI链路还有必需经由过程尺度合规性测试。这些测试对于如下指标有严酷限定：

• 时钟及数据抖动

• 眼图罩裕量

• 上升/降落时间

• 对于间及对于内偏斜

插入电气断绝级会带来附加抖动、幅度丧失及阻抗不持续等问题，从而很轻易减弱这些指标。

为确保旌旗灯号质量，建议采用如下技能：

1. 损耗及平衡治理。

应节制走线阻抗，让差分对于尽可能短而直，从而只管即便削减PCB走线、毗连器及断绝元件酿成的累积损耗。针对于更长链路或者更高分辩率，可以使用AD8195等HDMI缓冲器/平衡器来赔偿高频损耗与边沿劣化。

2. 幅度及端接节制。

TMDS幅渡过低或者呈现过年夜的过冲/下冲，凡是注解CML到LVDS的偏置或者端接存于问题，或者者交流耦合电容及静电放电(ESD)器件的插入损耗过年夜。

3. 偏斜治理。

四个TMDS差分对于（时钟加三个数据通道）必需连结严酷的长度匹配，既要节制对于内偏斜，也要节制对于间偏斜。屡次电路板转换或者太长的绕行路径，可能致使吸收器呈现采样过错。

4. 断绝间隙及参考平面计谋。

为满意MOPP/MOOP的爬电间隔及电气间隙要求，接地层及电源层必需于断绝界限处物理分散。但从旌旗灯号完备性的角度看，断绝栅的每一一侧仍应连结一个安定的参考平面，且该平面一直延长到断绝器引脚。

只有于断绝器封装正下方和其周边极小规模内，才答应去除了铜皮，以提供所需的断绝间隔。高速差分对于不该长间隔超过参考平面缺口或者年夜尺寸开槽区域，以避免增长阻抗不持续性及电磁滋扰(EMI)。

5. 断绝电源及EMI节制。

断绝电源必需采用适量的LC滤波并精心结构（缩短电流环路、准确划分分散接地），避免开关噪声耦合到TMDS路线中。

推广到其他运用

上述要领其实不局限在HDMI，可以推广到一系列高速、安全要害型运用，例如：

呆板视觉及工业摄像头接口。

诸如Camera Link、GigE Vision及定制化LVDS传播输链路等接口，具备不异的基本特征：高数据速度差分对于及严酷的电气断绝要求。ADN46xx系列LVDS断绝器可使用近似的交流耦合及偏置方案来顺应这些链路需求。

医疗/工业人机接口(HMI)及手术室显示屏。

不管视频链路接口为HDMI、DisplayPort还有是专有LVDS，只要拓扑布局触及将患者端影像传输至手术室显示屏，或者将现场摄像头画面传输至长途节制室，均可以采用这类断绝计谋并从中受益。旌旗灯号质量及安全性方面的设计考量与HDMI运用场景近似。

结论

断绝HDMI等高速接口的焦点挑战于在，怎样于数Gbps的数据速度下连结旌旗灯号完备性，同时满意严酷的医疗及工业安全尺度。联合高速数字断绝器及医用级断绝电源模块，上述设计可以满意眼图、抖动及MOPP/MOOP要求。

于PCB层面上，连结断绝栅双侧的持续参考平面，并将这些平面的中止限定于断绝器引脚四周，可以有用节制EMI及反射。总而言之，本文所述要领为医疗成像体系（如内窥镜）和更广泛的工业及呆板视觉运用中的电气断绝视频传输提供了稳健且安全的基础。

参考文献

“CN-0571：采用iCoupler®断绝技能的电气断绝全高清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。

作者简介

Cindy Chang是工业主动化运用范畴的现场运用工程师，常驻台湾。她2019年卒业在比利时鲁汶年夜学，获电子工程硕士学位，同年最先为主动化客户提供技能撑持。她在2023年插手ADI公司。