【導讀】本文介紹了一種面向醫用級工業計算機的電氣隔離HDMI接口，可在滿足IEC 60601-1 MOPP/MOOP安全要求的同時，支持高達1080p @ 60Hz的高速視頻傳輸。本文提出的架構以高速LVDS數字隔離器為基礎，采用交流耦合和精心設計的偏置與端接網絡，實現了TMDS CML域與LVDS域之間的轉換，同時確保符合HDMI物理層規范。這種方法也適用于其他需要數Gbps數據速率和2×MOPP保護的醫療和工業成像鏈路。
簡介：醫用級工業PC
工業個人計算機(IPC)本質上是一種以CPU、內存和存儲為核心的計算平臺，側重于在嚴苛環境下長期穩定運行，而非面向消費者或辦公場景。與消費級PC相比，IPC更注重可靠性、使用壽命和環境耐受性，并且通常需要通過嚴苛的溫度、振動和機械測試。
在醫療健康領域，醫用級工業計算機廣泛應用于醫學成像系統（CT、MRI、超聲波）、床邊推車、手術室集成系統和實驗室自動化。它們必須符合醫療安全和電磁兼容性(EMC)標準，例如IEC/EN 60601-1和IEC/EN 60601-1-2。同時，它們必須采用易于清潔的抗菌外殼和無風扇、低噪聲的散熱設計，以滿足醫院的感染防控與靜音使用要求。
醫用級工業計算機的安全和隔離要求
與通用工業計算機相比，醫用級工業計算機的最大區別在于，必須符合醫療安全標準，特別是在涉及患者接觸時，對電氣安全和EMC有嚴格要求。國際上主要采用兩項標準：IEC 60601-1，規定了醫用電氣設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。這些標準限定了允許流過患者和操作人員的漏電流值，并對絕緣類型、爬電距離、電氣間隙和介電強度提出了明確要求。
IEC 60601-1引入了患者防護措施(MOPP)和操作人員防護措施(MOOP)的概念。醫療設備必須通過機械設計和絕緣系統提供一種或兩種獨立的防護措施，目的是確保任何I/O接口（如USB、HDMI、以太網或電源）都無法通過接地或其他公共參考路徑使患者接觸到危險電流。緊湊、高性能的醫用IPC要求對電氣隔離邊界進行精細劃分，并采用經過醫療認證的隔離電源域。參見表1。
表1：IEC 60601-1關于MOOP和MOPP的規范
高速信號隔離面臨的設計難題
采用高速接口的系統要滿足上述安全和隔離要求，往往會面臨一些實際挑戰。標準隔離器件通常支持100Mbps左右的數據速率。對于USB 2.0、USB 3.0等高速接口，或對于同樣需要電氣隔離的高帶寬視頻鏈路（HDMI、MIPI CSI），標準隔離器已難以勝任。設計人員至少需要關注以下三個方面。
1. 隔離帶寬：隔離器必須支持接口所需的高數據速率。
2. 協議兼容的物理層轉換：隔離器的前端和后端必須具備與相應接口標準兼容的電氣特性。
3. 信號完整性(SI)：眼圖開度、抖動和偏斜必須控制在高速標準的合規限值以內。
本文以HDMI為代表性示例，闡述了ADI公司如何實現能夠滿足2× MOPP隔離要求的高速電氣隔離方案。同樣的設計理念可以推廣到其他高速接口。
從HDMI隔離開始
HDMI視頻鏈路的規格通常由分辨率和刷新率來定義，例如1280 × 720 (720p) @ 60Hz。HDMI使用的是最小化傳輸差分信號(TMDS)。TMDS比特率由像素時鐘決定，而像素時鐘又由包含消隱間隔在內的總時間決定。
令Htotal和Vtotal分別表示包含活動視頻和消隱在內的水平和垂直像素總數，令fframe表示幀率，則像素時鐘為
? 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數據通道的比特率為
三條數據通道的總TMDS比特率為
在實際工程設計中，對于720p @ 60Hz和1080p @ 60Hz等常見視頻模式，設計人員通常使用標準化像素時鐘。例如，720p @ 60Hz使用74.25MHz像素時鐘，而1080p @ 60Hz使用148.5MHz像素時鐘。計算TMDS比特率的簡便方法是：
因此，要實現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數字隔離器，例如ADN4624。該器件有四個通道，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數據通道，同時也滿足醫療安全要求。
HDMI信號結構和隔離策略
為確保隔離鏈路完全符合HDMI規范，了解HDMI接口的組成至關重要，如圖1所示。
TMDS高速數據和時鐘通道
HDMI 使用四個差分對（八個引腳）進行高速傳輸。
? 三個TMDS數據通道（數據0-2）：用于傳輸RGB視頻數據、音頻信息和輔助數據。
? 一個TMDS時鐘通道：提供接收器使用的參考時鐘，用于對數據通道進行采樣。
數據采用8b/10b編碼方式進行編碼，以控制轉換密度和直流平衡。
顯示數據通道(DDC)
DDC由兩條線路（SCL時鐘線路和SDA數據線路）組成。它由源設備（如PC）使用，讀取顯示器的擴展顯示識別數據(EDID)，EDID用于說明支持的分辨率和格式。
消費電子控制(CEC)
CEC是一種單線總線，支持通過單個遙控器操作多臺HDMI連接的設備，例如通過電視遙控器控制機頂盒。
熱插拔檢測(HPD)
HPD線路用于指示接收器的連接狀態。當顯示器接入或通電時，HPD會改變狀態，通知源設備啟動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閉，EDID也可讀取。屏蔽和接地連接用于確保參考信號的完整性且噪聲受到抑制。
高級通道（HEAC：HDMI以太網和音頻回傳通道）
對于支持高級特性的線纜和設備，部分引腳可重新定義，用于以太網數據和音頻回傳通道(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：
? 四對高速TMDS差分信號（三對數據信號 + 一對時鐘信號）
? 多種低速控制和狀態信號（DDC、CEC、HPD、HEAC和5V）
DDC和CEC是開漏、雙向低速信號，兩者的隔離設計都必須保留I2C類總線行為（支持EDID讀取和CEC仲裁）及相應的電壓電平。因此，這些線路需要雙向數字隔離器。HPD是一種單向狀態信號，可使用單向隔離器。
圖1：HDMI引腳定義
對于隔離式HDMI設計，隔離器選擇的典型策略如下（見圖2）。
? 高速TMDS通道：LVDS千兆隔離器（例如ADN4624），用于傳輸串行高速數據和時鐘信號。
? DDC和CEC：支持開漏行為的雙向I2C/低速隔離器。
? HPD和其他單向信號：簡易的單向數字隔離器。
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絡實現TMDS CML到LVDS的轉換
這種設計的一個關鍵點是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。
接收器需要一個以3.3V為基準的100Ω差分負載（兩個50Ω端接電阻），典型差分擺幅為幾百毫伏。
相比之下，ADN4624/ADN4654等器件是LVDS收發器。
這些器件是電壓模式差分驅動器/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LVDS的關鍵步驟如下。
第1步：為HDMI源提供適當的TMDS端接。
每條TMDS線路均采用等效100Ω電阻（例如用兩個50Ω電阻實現）端接至3.3V，從而為HDMI源驅動器提供正確的負載并保持100Ω差分阻抗。
第2步：完成差分對的交流耦合。
串聯電容（通常每條線10nF左右）會阻斷來自TMDS端的直流共模電壓，僅允許差分信號的交流分量通過。
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，兩個輸入引腳之間連接一個200Ω差分端接電阻。該電阻與內部端接電阻一起，為輸入信號提供正確的等效負載。
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圖3：HDMI和LVDS之間的信號電壓轉換
此外，通過一個偏置網絡（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），將共模電壓設置為約1V。通過該偏置網絡，兩條線路形成LVDS所需的共模電壓，而交流耦合差分擺幅疊加于其上。
采用這種方法可以有效地將原始TMDS CML波形轉換為LVDS兼容的差分波形，而不會違反任何一端的直流工作條件。在隔離柵之后可以應用對稱結構，將LVDS轉換回TMDS兼容的CML環境，用于HDMI接收器，如圖3所示。
通過隔離保持HDMI信號完整性
除協議兼容性之外，隔離后的HDMI鏈路還必須通過標準合規性測試。這些測試對以下指標有嚴格限制：
? 時鐘和數據抖動
? 眼圖罩裕量
? 上升/下降時間
? 對間和對內偏斜
插入電氣隔離級會帶來附加抖動、幅度損失和阻抗不連續等問題，從而很容易削弱這些指標。
為確保信號質量，建議采用以下技術：
1. 損耗和均衡管理。
應控制走線阻抗，讓差分對盡可能短而直，從而盡量減少PCB走線、連接器和隔離元件造成的累積損耗。針對更長鏈路或更高分辨率，可使用AD8195等HDMI緩沖器/均衡器來補償高頻損耗與邊緣劣化。
2. 幅度和端接控制。
TMDS幅度過低或出現過大的過沖/下沖，通常表明CML到LVDS的偏置或端接存在問題，或者交流耦合電容和靜電放電(ESD)器件的插入損耗過大。
3. 偏斜管理。
四個TMDS差分對（時鐘加三個數據通道）必須保持嚴格的長度匹配，既要控制對內偏斜，也要控制對間偏斜。多次電路板轉換或過長的繞行路徑，可能導致接收器出現采樣錯誤。
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。但從信號完整性的角度看，隔離柵的每一側仍應保持一個穩固的參考平面，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，才允許去除銅皮，以提供所需的隔離距離。高速差分對不應長距離跨越參考平面缺口或大尺寸開槽區域，以免增加阻抗不連續性和電磁干擾(EMI)。
5. 隔離電源和EMI控制。
隔離電源必須采用適當的LC濾波并精心布局（縮短電流環路、正確劃分分離接地），防止開關噪聲耦合到TMDS線路中。
推廣到其他應用
上述方法并不局限于HDMI，可以推廣到一系列高速、安全關鍵型應用，例如：
機器視覺和工業攝像頭接口。
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：高數據速率差分對和嚴格的電氣隔離要求。ADN46xx系列LVDS隔離器可利用類似的交流耦合和偏置方案來適應這些鏈路需求。
醫療/工業人機接口(HMI)和手術室顯示屏。
無論視頻鏈路接口為HDMI、DisplayPort還是專有LVDS，只要拓撲結構涉及將患者端影像傳輸至手術室顯示屏，或將現場攝像頭畫面傳輸至遠程控制室，都可以采用這種隔離策略并從中受益。信號質量和安全性方面的設計考量與HDMI應用場景類似。
結論
隔離HDMI等高速接口的核心挑戰在于，如何在數Gbps的數據速率下保持信號完整性，同時滿足嚴格的醫療和工業安全標準。結合高速數字隔離器和醫用級隔離電源模塊，上述設計可以滿足眼圖、抖動和MOPP/MOOP要求。
在PCB層面上，保持隔離柵兩側的連續參考平面，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，本文所述方法為醫療成像系統（如內窺鏡）及更廣泛的工業和機器視覺應用中的電氣隔離視頻傳輸提供了穩健且安全的基礎。
參考文獻
“CN-0571：采用iCoupler?隔離技術的電氣隔離全高清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。
作者簡介
Cindy Chang是工業自動化應用領域的現場應用工程師，常駐中國臺灣。她2019年畢業于比利時魯汶大學，獲電子工程碩士學位，同年開始為自動化客戶提供技術支持。她于2023年加入ADI公司。
