全面解析HDMI技術(shù)在汽車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

　　簡介

　　播放高清內(nèi)容（例如藍(lán)光光盤上的電影）需要很高的處理能力，而當(dāng)前汽車信息娛樂系統(tǒng)中的現(xiàn)有處理器通常不具備這種處理能力。借助HDMI行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，汽車制造商可以更加快速和輕松地集成汽車高清電影播放功能。此類系統(tǒng)可以采用汽車級藍(lán)光驅(qū)動器，該驅(qū)動器使用HDMI規(guī)范中所列的E型電纜和連接器進(jìn)行連接。由于HDMI標(biāo)準(zhǔn)可為同步音頻（包括多通道高清音頻格式）和視頻傳輸提供內(nèi)容保護(hù)，因此不需要通過其他網(wǎng)絡(luò)或音頻總線，與音頻放大器單獨(dú)連接。

　　藍(lán)光播放器的播放功能只是HDMI在汽車行業(yè)的一種應(yīng)用。越來越多的乘客以及駕駛員，都希望將自己的移動設(shè)備連接至汽車信息娛樂系統(tǒng)。在不久的將來，智能手機(jī)有望成為娛樂中心，顯著降低汽車信息娛樂系統(tǒng)的處理要求、復(fù)雜性和成本。智能手機(jī)的設(shè)計(jì)周期遠(yuǎn)短于汽車信息娛樂系統(tǒng)，如果智能手機(jī)成為設(shè)備中樞，可以確保最新消費(fèi)型產(chǎn)品開發(fā)成果能夠迅速應(yīng)用于汽車信息娛樂系統(tǒng)。HDMI能夠提供高質(zhì)量的無壓縮饋送，因此非常適合將移動設(shè)備連接至汽車信息娛樂系統(tǒng)。對于汽車行業(yè)而言，HDMI電纜具有低噪聲耦合，不易受車內(nèi)其他設(shè)備的影響。　　

　　圖1汽車設(shè)計(jì)中的HDMI應(yīng)用示例。

　　音響主機(jī)（汽車信息娛樂系統(tǒng)的主控制器）有兩個(gè)HDMI輸入、一個(gè)音頻輸出、一個(gè)顯示屏視頻輸出。HDMI接收器（Rx）解碼來自兩個(gè)HDMI輸入的視頻并提取音頻。音頻轉(zhuǎn)換為模擬信號并連接至揚(yáng)聲器。第一個(gè)HDMI輸入連接至安裝的藍(lán)光播放器，該播放器可能位于汽車的后備箱。第二個(gè)HDMI輸入提供與配備HDMI的便攜式媒體設(shè)備的連接，這些設(shè)備包括智能手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)和攝像機(jī)等。

　　HDMI接口普遍應(yīng)用于消費(fèi)類電子設(shè)備中，但如何將它集成到汽車應(yīng)用？

　　雖然HDMI接口當(dāng)前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種家庭娛樂設(shè)備，但汽車應(yīng)用卻向使用HDMI接口的設(shè)計(jì)提出了全新挑戰(zhàn)。汽車應(yīng)用可能包括開放系統(tǒng)或封閉系統(tǒng)。開放系統(tǒng)允許連接消費(fèi)型設(shè)備，例如智能電話或平板電腦。封閉系統(tǒng)則允許汽車娛樂系統(tǒng)內(nèi)部的專用模塊互連。

　　封閉系統(tǒng)可以交流耦合，以提供電池短路（STB）和接地短路（STG）保護(hù)。雖然這一點(diǎn)在當(dāng)前HDMI規(guī)范中沒有說明，但它提供了常見汽車應(yīng)用問題的巧妙解決方案。如果HDMI電纜出現(xiàn)了故障情況，發(fā)生電池短路或接地短路，HDMI接收器和發(fā)送器IC應(yīng)該不會受到損壞。在HDMI接口中使用的信號電平是3.3V和5V，因此汽車電池正端（12V）短路通常會損壞HDMI接收器和發(fā)送器。如果HDMI接口交流耦合，則HDMI Rx和Tx之間的共模電壓不會損壞IC。此外，還需要一個(gè)過壓保護(hù)電路來保護(hù)HDMI DDC線路，因?yàn)檫@些線路不能交流耦合。圖2顯示如何實(shí)施STB和STG保護(hù)的高電平示例。HDMI Tx和HDMI Rx交流耦合電路設(shè)計(jì)為成對使用。

　　圖2：HDMI的STB和STG保護(hù)CCT框圖

　　PCB設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

　　在為HDMI TMDS線路添加STB保護(hù)電路時(shí)，我們面臨的一個(gè)很大難題是不能影響線路性能或其匹配阻抗。為了滿足兼容性要求，建議讓STB保護(hù)電路盡可能接近HDMI TMDS走線。這樣可以最大程度減小走線之外的分支線長度，并降低由于分支線而產(chǎn)生反射的可能性。

　　如何在HDMI TX上實(shí)施交流耦合？

　　圖3顯示在HDMI Tx TMDS線路上實(shí)施交流耦合可以使用的一種電路。交流耦合電容提供STB和STG隔離，并且應(yīng)當(dāng)在TMDS頻率下視為短路。必須能耐受18V直流電壓。由于汽車電池的輸出通常為12V，交流發(fā)電機(jī)輸出約為14.5V，因此STB測試通常使用18V電壓，以提供一些安全裕量。

　　HDMI Tx切換電流源，需要為3.3V電壓提供上拉電阻。這里顯示了100 Ω上拉電阻的作用。TMDS線路差分對的每條線路必須具有50Ω的交流阻抗。此處未顯示該阻抗，但在下游HDMI Rx有第二個(gè)50Ω串聯(lián)內(nèi)部上拉電阻。將100Ω上拉電阻與兩個(gè)50Ω電阻（相互串聯(lián)）并聯(lián)，總阻抗為50Ω。

　　RCLAMP0524PA TVS（瞬變電壓抑制器）器件提供ESD保護(hù)。RCLAMP0524PA的引腳間電容僅為0.3pF。這一特點(diǎn)使得它能夠在工作頻率超過3GHz的電路上使用，而不產(chǎn)生信號衰減。它能夠針對+/-15Kv氣隙放電和+/-8Kv接觸放電提供ESD保護(hù)。

　　HDMI TX交流耦合測試

　　圖3所示電路按照以下方式構(gòu)建和測試：為驗(yàn)證電池短路保護(hù)電路，我們將每個(gè)TMDS線路短路連接18V電池，隨后對HDMI Tx進(jìn)行功能測試，以確保它沒有損壞。經(jīng)過測試，該電路在27MHz、74MHz、148MHz和165MHz頻率下符合HDMI兼容性規(guī)范。唯一的問題出現(xiàn)在低電平輸出電壓（VL）測試中。但是，HDMI Rx交流耦合電路中的ADV7612可以耐受更高的VL電平。事實(shí)證明，此電路在遠(yuǎn)高于HDMI E型汽車連接器的74MHz頻率的工作頻率下運(yùn)行良好。

　　圖3：TMDS線路上的HDMI TX交流耦合

　　如何在HDMI RX上實(shí)施交流耦合？

　　在圖4中的電路中，HDMI RX為交流耦合，以應(yīng)對STB和STG故障條件。交流耦合電容阻止共模電壓，并保護(hù)HDMI Rx以避免在STB和STG條件下?lián)p壞。上游HDMI Tx必須為交流耦合，才能讓此電路正常工作。如果HDMI Tx為直流耦合，它可能無法檢測每個(gè)差分對的100Ω電阻的正確端接。RCLAMP0524器件提供必要的ESD保護(hù)。2KΩ上拉電阻用作滲漏電阻，必須選擇正確的電阻值，以應(yīng)對在STB和STG條件下增大的電流。例如，在STB條件下：

　　P= （V2）/R= 182/2000= 0.162瓦

　　圖4：HDMI RX TMDS交流耦合電路

　　HDMI Rx交流耦合測試

　　這是適合汽車應(yīng)用的首選電路；HDMI Rx和Tx AC耦合電容之間的唯一電路是泄漏電阻。此電路經(jīng)過驗(yàn)證，不受電池短路和接地短路條件的影響。它還通過了最高165MHz頻率下的HDMI TMDS兼容性測試，該頻率也是ADV7511W上游發(fā)送器的上限值。圖5顯示了數(shù)據(jù)通道1的差分阻抗測試結(jié)果。允許的最大差分阻抗為115Ω，最小差分阻抗為85Ω。

　　圖5：TMDS差分阻抗測試

　　如何讓其他HDMI Rx線路能夠耐受STB和STG？

　　圖6 HDMI RX DDC、CEC和 +5V線路的STB 和STG保護(hù)電路 顯示用于為HDMI DDC線路、CEC和+5V線路提供STB保護(hù)的電路。每個(gè)線路上都有MOSFET開關(guān)。正常工作條件下，一旦向MOSFET的柵極施加+5V電壓，它的作用就像開關(guān)一樣，將源極連接至漏極。如果出現(xiàn)STB條件，MOSFET晶體管柵極的漏極電壓將開始上升至+5V以上，從而將其關(guān)閉。在選擇這種N溝道MOSFET時(shí)，有幾個(gè)重要設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)：

　　- 它的柵極-漏極和漏極-源極擊穿電壓必須大于18V。

　　- 它必須有非常小的輸出電容。

　　- DDC_SCL和DDC_SDA的線路電容必須小于50pF才能通過HDMI兼容性測試。此電容包括來自HDMI連接器的走線電容、由于MOSFET開關(guān)產(chǎn)生的總電容、HDMI接收器DDC引腳的電容。

　　如果漏極至源極的壓降大于0.5V，則Vscl（測試ID 8-9）也將會失敗。Vscl測試將測量來自DDC SCL的輸出電壓，且必須在4.5V至5.5V范圍內(nèi)。

　　圖6：HDMI RX DDC、CEC和+5V線路的STB和STG保護(hù)電路

　　HDMI Rx DDC CEC和+5V線路的STB保護(hù)電路… 通過HDMI兼容性測試的設(shè)計(jì)技巧

　　我們使用幾種不同類型的視頻源構(gòu)建和測試此電路。HDMI Tx能夠使用DDC SDA和SCL線路讀取E-EDID，且HDCP加密工作正常。在實(shí)施此電路之前，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員還需要認(rèn)真考慮以下幾個(gè)問題。

　　CEC線路電阻（HDMI兼容性測試ID 8-13）：此測試可測量PCB上HDMI輸入至HDMI輸出（如果有）的CEC阻抗。由于此測試在PCB電源關(guān)閉的情況下進(jìn)行，因此測試將會失敗。當(dāng)PCB電源關(guān)閉時(shí)，MOSFET關(guān)閉，使CEC線路斷開連接。

　　CEC線路電容（HDMI兼容性測試ID 8-9）：如果PCB上有多個(gè)HDMI Rx，次測試可能失敗，具體取決于所選的MOSFET。對于CEC非根器件，測試限值小于150pF。各CEC線路上每個(gè)MOSFET開關(guān)的電容將會增加，因?yàn)樗鼈兌紩⒙?lián)。

　　如何讓HDMI TX DDC、CEC和HPD線路能夠耐受STB和STG？

　　圖7 HDMI TX DDC、CEC、HPD和5V的STB和STG保護(hù)電路 顯示讓DDC、CEC和HPD線路能夠耐受STB和STG條件所必需的電路。它類似于HDMI Rx DDC電路，不同之處在于+5V線路和熱插拔檢測線路的處理。如果5V線路上發(fā)生STB事件，該線路上的二極管將會關(guān)閉。選擇的二極管應(yīng)該具備較低的開啟電壓、快速的開啟時(shí)間、大于21V的反向擊穿電壓。4.7KΩ電阻和齊納二極管可保護(hù)熱插拔檢測線路，防止在STB情況下受損。

　　圖7：HDMI TX DDC、CEC、HPD和5V的STB和STG保護(hù)電路

　　HDMI Tx DDC線路的STB保護(hù)電路… 通過HDMI兼容性測試的設(shè)計(jì)技巧

　　以上的DDC Tx電路經(jīng)過驗(yàn)證，并且通過HDMI兼容性測試。HDMI Tx可以使用DDC SDA SCL線路讀取下游E-EDID，且HDCP加密工作正常。設(shè)計(jì)時(shí)有一點(diǎn)很重要，+5V線路上的二極管必須具有小于200mV的正向壓降，同時(shí)電流為55mA，這樣才能通過HDMI兼容測試（測試ID 7-11）。

　　總結(jié)

　　使用ADV7511W HDMI發(fā)送器和ADV7612W HDMI接收器來測試本文中所示的全部HDMI電路。它們都是ADI公司提供的汽車應(yīng)用級IC。

　　ADV7612W是一種225MHz低功耗雙輸入HDMI接收器。它支持HDMI 1.4A中定義的所有強(qiáng)制性3D電視格式。它還能夠?qū)⒁纛l從HDMI流提取至音頻輸出端口。它的額定溫度范圍為-40℃至+85℃。

　　ADV7511W是一種165 MHz HDMI發(fā)送器，適合汽車信息娛樂系統(tǒng)應(yīng)用。ADV7511W支持HDMI v1.4a功能，包括擴(kuò)展色度、高比特率音頻和3D視頻。ADV7511W的額定溫度范圍為-40℃至+105℃。