医用级工业PC中高速HDMI®信号的电气隔离设计

摘要

本文介绍了一种面向医用级工业计算机的电气隔离HDMI接口，可在满足IEC 60601-1 MOPP/MOOP安全要求的同时，支持高达1080p @ 60Hz的高速视频传输。本文提出的架构以高速LVDS数字隔离器为基础，采用交流耦合和精心设计的偏置与端接网络，实现了TMDS CML域与LVDS域之间的转换，同时确保符合HDMI物理层规范。这种方法也适用于其他需要数Gbps数据速率和2×MOPP保护的医疗和工业成像链路。

简介：医用级工业PC

工业个人计算机(IPC)本质上是一种以CPU、内存和存储为核心的计算平台，侧重于在严苛环境下长期稳定运行，而非面向消费者或办公场景。与消费级PC相比，IPC更注重可靠性、使用寿命和环境耐受性，并且通常需要通过严苛的温度、振动和机械测试。

在医疗健康领域，医用级工业计算机广泛应用于医学成像系统（CT、MRI、超声波）、床边推车、手术室集成系统和实验室自动化。它们必须符合医疗安全和电磁兼容性(EMC)标准，例如IEC/EN 60601-1和IEC/EN 60601-1-2。同时，它们必须采用易于清洁的抗菌外壳和无风扇、低噪声的散热设计，以满足医院的感染防控与静音使用要求。

医用级工业计算机的安全和隔离要求

与通用工业计算机相比，医用级工业计算机的最大区别在于，必须符合医疗安全标准，特别是在涉及患者接触时，对电气安全和EMC有严格要求。国际上主要采用两项标准：IEC 60601-1，规定了医用电气设备的基本安全和核心性能要求；IEC 60601-1-2，明确了EMC方面的要求。这些标准限定了允许流过患者和操作人员的漏电流值，并对绝缘类型、爬电距离、电气间隙和介电强度提出了明确要求。

IEC 60601-1引入了患者防护措施(MOPP)和操作人员防护措施(MOOP)的概念。医疗设备必须通过机械设计和绝缘系统提供一种或两种独立的防护措施，目的是确保任何I/O接口（如USB、HDMI、以太网或电源）都无法通过接地或其他公共参考路径使患者接触到危险电流。紧凑、高性能的医用IPC要求对电气隔离边界进行精细划分，并采用经过医疗认证的隔离电源域。参见表1。

表1：IEC 60601-1关于MOOP和MOPP的规范

高速信号隔离面临的设计难题

采用高速接口的系统要满足上述安全和隔离要求，往往会面临一些实际挑战。标准隔离器件通常支持100Mbps左右的数据速率。对于USB 2.0、USB 3.0等高速接口，或对于同样需要电气隔离的高带宽视频链路（HDMI、MIPI CSI），标准隔离器已难以胜任。设计人员至少需要关注以下三个方面。

隔离带宽：隔离器必须支持接口所需的高数据速率。

协议兼容的物理层转换：隔离器的前端和后端必须具备与相应接口标准兼容的电气特性。

信号完整性(SI)：眼图开度、抖动和偏斜必须控制在高速标准的合规限值以内。

本文以HDMI为代表性示例，阐述了ADI公司如何实现能够满足2× MOPP隔离要求的高速电气隔离方案。同样的设计理念可以推广到其他高速接口。

从HDMI隔离开始

HDMI视频链路的规格通常由分辨率和刷新率来定义，例如1280 × 720 (720p) @ 60Hz。HDMI使用的是最小化传输差分信号(TMDS)。TMDS比特率由像素时钟决定，而像素时钟又由包含消隐间隔在内的总时间决定。

令Htotal和Vtotal分别表示包含活动视频和消隐在内的水平和垂直像素总数，令fframe表示帧率，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线路编码，因此每条TMDS数据通道的比特率为

三条数据通道的总TMDS比特率为

在实际工程设计中，对于720p @ 60Hz和1080p @ 60Hz等常见视频模式，设计人员通常使用标准化像素时钟。例如，720p @ 60Hz使用74.25MHz像素时钟，而1080p @ 60Hz使用148.5MHz像素时钟。计算TMDS比特率的简便方法是：

因此，要实现720p @ 60Hz HDMI链路的电气隔离，隔离通道须支持至少每通道742.5Mbps的带宽；对于1080p @ 60Hz链路，至少须支持每通道1.485Gbps的带宽。

ADI目前提供多款高速LVDS数字隔离器，例如ADN4624。该器件有四个通道，每通道2.5Gbps，支持5.7kV rms隔离，满足2× MOPP要求。这种带宽和隔离度足以支持HDMI链路的三条TMDS数据通道，同时也满足医疗安全要求。

HDMI信号结构和隔离策略

为确保隔离链路完全符合HDMI规范，了解HDMI接口的组成至关重要，如图1所示。

TMDS高速数据和时钟通道

HDMI使用四个差分对（八个引脚）进行高速传输。

三个TMDS数据通道（数据0-2）：用于传输RGB视频数据、音频信息和辅助数据。

一个TMDS时钟通道：提供接收器使用的参考时钟，用于对数据通道进行采样。

数据采用8b/10b编码方式进行编码，以控制转换密度和直流平衡。

显示数据通道(DDC)

DDC由两条线路（SCL时钟线路和SDA数据线路）组成。它由源设备（如PC）使用，读取显示器的扩展显示识别数据(EDID)，EDID用于说明支持的分辨率和格式。

消费电子控制(CEC)

CEC是一种单线总线，支持通过单个遥控器操作多台HDMI连接的设备，例如通过电视遥控器控制机顶盒。

热插拔检测(HPD)

HPD线路用于指示接收器的连接状态。当显示器接入或通电时，HPD会改变状态，通知源设备启动或重新配置视频链路。

电源和接地

HDMI连接器提供5V电源，即使显示器的主电源关闭，EDID也可读取。屏蔽和接地连接用于确保参考信号的完整性且噪声受到抑制。

高级通道（HEAC：HDMI以太网和音频回传通道）

对于支持高级特性的线缆和设备，部分引脚可重新定义，用于以太网数据和音频回传通道(ARC/eARC)，让电视音频能够回传至AV接收器。

从隔离角度看，HDMI接口可以划分为：

四对高速TMDS差分信号（三对数据信号 + 一对时钟信号）

多种低速控制和状态信号（DDC、CEC、HPD、HEAC和5V）

DDC和CEC是开漏、双向低速信号，两者的隔离设计都必须保留I2C类总线行为（支持EDID读取和CEC仲裁）及相应的电压电平。因此，这些线路需要双向数字隔离器。HPD是一种单向状态信号，可使用单向隔离器。

图1：HDMI引脚定义

对于隔离式HDMI设计，隔离器选择的典型策略如下（见图2）。

高速TMDS通道：LVDS千兆隔离器（例如ADN4624），用于传输串行高速数据和时钟信号。

DDC和CEC：支持开漏行为的双向I2C/低速隔离器。

HPD和其他单向信号：简易的单向数字隔离器。

图2：采用ADuM4070、ADuM321N、ADuM1252、ADN4624和AD8195的隔离式HDMI的框图

利用交流耦合和偏置网络实现TMDS CML到LVDS的转换

这种设计的一个关键点是HDMI TMDS物理层与LVDS隔离器之间的接口。TMDS采用电流模式逻辑(CML)。

CML使用恒流源和外部50Ω上拉电阻，

将每条线路的电压上拉至3.3V以形成差分对。

接收器需要一个以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。

相比之下，ADN4624/ADN4654等器件是LVDS收发器。

这些器件是电压模式差分驱动器/接收器，具有100Ω的差分特性阻抗。

可接受的共模电压通常在1V至1.5V左右，明显低于TMDS的3.3V。

TMDS转LVDS的关键步骤如下。

第1步：为HDMI源提供适当的TMDS端接。

每条TMDS线路均采用等效100Ω电阻（例如用两个50Ω电阻实现）端接至3.3V，从而为HDMI源驱动器提供正确的负载并保持100Ω差分阻抗。

第2步：完成差分对的交流耦合。

串联电容（通常每条线10nF左右）会阻断来自TMDS端的直流共模电压，仅允许差分信号的交流分量通过。

第3步：重新建立合适的LVDS共模电压和端接。

在隔离器的LVDS输入端，两个输入引脚之间连接一个200Ω差分端接电阻。该电阻与内部端接电阻一起，为输入信号提供正确的等效负载。

图3：HDMI和LVDS之间的信号电压转换

此外，通过一个偏置网络（例如电阻分压器：每条输入线路上使用10kΩ上拉至3.3V，并使用10kΩ下拉至地），将共模电压设置为约1V。通过该偏置网络，两条线路形成LVDS所需的共模电压，而交流耦合差分摆幅叠加于其上。

采用这种方法可以有效地将原始TMDS CML波形转换为LVDS兼容的差分波形，而不会违反任何一端的直流工作条件。在隔离栅之后可以应用对称结构，将LVDS转换回TMDS兼容的CML环境，用于HDMI接收器，如图3所示。

通过隔离保持HDMI信号完整性

除协议兼容性之外，隔离后的HDMI链路还必须通过标准合规性测试。这些测试对以下指标有严格限制：

时钟和数据抖动

眼图罩裕量

上升/下降时间

对间和对内偏斜

插入电气隔离级会带来附加抖动、幅度损失和阻抗不连续等问题，从而很容易削弱这些指标。

为确保信号质量，建议采用以下技术：

损耗和均衡管理。

应控制走线阻抗，让差分对尽可能短而直，从而尽量减少PCB走线、连接器和隔离元件造成的累积损耗。针对更长链路或更高分辨率，可使用AD8195等HDMI缓冲器/均衡器来补偿高频损耗与边缘劣化。

幅度和端接控制。

TMDS幅度过低或出现过大的过冲/下冲，通常表明CML到LVDS的偏置或端接存在问题，或者交流耦合电容和静电放电(ESD)器件的插入损耗过大。

偏斜管理。

四个TMDS差分对（时钟加三个数据通道）必须保持严格的长度匹配，既要控制对内偏斜，也要控制对间偏斜。多次电路板转换或过长的绕行路径，可能导致接收器出现采样错误。

隔离间隙和参考平面策略。

为满足MOPP/MOOP的爬电距离和电气间隙要求，接地层和电源层必须在隔离边界处物理分离。但从信号完整性的角度看，隔离栅的每一侧仍应保持一个稳固的参考平面，且该平面一直延伸到隔离器引脚。

只有在隔离器封装正下方及其周边极小范围内，才允许去除铜皮，以提供所需的隔离距离。高速差分对不应长距离跨越参考平面缺口或大尺寸开槽区域，以免增加阻抗不连续性和电磁干扰(EMI)。

隔离电源和EMI控制。

隔离电源必须采用适当的LC滤波并精心布局（缩短电流环路、正确划分分离接地），防止开关噪声耦合到TMDS线路中。

推广到其他应用

上述方法并不局限于HDMI，可以推广到一系列高速、安全关键型应用，例如：

机器视觉和工业摄像头接口。

诸如Camera Link、GigE Vision和定制化LVDS流传输链路等接口，具有相同的基本特性：高数据速率差分对和严格的电气隔离要求。ADN46xx系列LVDS隔离器可利用类似的交流耦合和偏置方案来适应这些链路需求。

医疗/工业人机接口(HMI)和手术室显示屏。

无论视频链路接口为HDMI、DisplayPort还是专有LVDS，只要拓扑结构涉及将患者端影像传输至手术室显示屏，或将现场摄像头画面传输至远程控制室，都可以采用这种隔离策略并从中受益。信号质量和安全性方面的设计考量与HDMI应用场景类似。

结论

隔离HDMI等高速接口的核心挑战在于，如何在数Gbps的数据速率下保持信号完整性，同时满足严格的医疗和工业安全标准。结合高速数字隔离器和医用级隔离电源模块，上述设计可以满足眼图、抖动和MOPP/MOOP要求。

在PCB层面上，保持隔离栅两侧的连续参考平面，并将这些平面的中断限制在隔离器引脚附近，可以有效控制EMI和反射。总而言之，本文所述方法为医疗成像系统（如内窥镜）及更广泛的工业和机器视觉应用中的电气隔离视频传输提供了稳健且安全的基础。

参考文献

“CN-0571：采用iCoupler®隔离技术的电气隔离全高清1080p/60Hz HDMIPHY”，ADI公司，2024年12月。

Mark Patrick，“Emerging Power Standards in the Medical Industry”，SmartAuto Magazine，2018年6月。