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簡介： 播放高清內容（例如藍光光盤上的電影）需要很高的處理能力，而當前汽車信息娛樂系統中的現有處理器通常不具備這種處理能力。借助HDMI行業標準，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。此類系統可以采用汽車級藍光驅動器，該驅動器使用HDMI規范中所列的E型電纜和連接器進行連接。由于HDMI標準可為同步音頻（包括多通道高清音頻格式）和視頻傳輸提供內容保護，因此不需要通過其他網絡或音頻總線，與音頻放大器單獨連接。 藍光播放器的播放功能只是HDMI在汽車行業的一種應用。越來越多的乘客以及駕駛員，都希望將自己的移動設備連接至汽車信息娛樂系統。在不久的將來，智能手機有望成為娛樂中心，顯著降低汽車信息娛樂系統的處理要求、復雜性和成本。智能手機的設計周期遠短于汽車信息娛樂系統，如果智能手機成為設備中樞，可以確保最新消費型產品開發成果能夠迅速應用于汽車信息娛樂系統。HDMI能夠提供高質量的無壓縮饋送，因此非常適合將移動設備連接至汽車信息娛樂系統。對于汽車行業而言，HDMI電纜具有低噪聲耦合，不易受車內其他設備的影響。 圖1 汽車設計中的HDMI應用 圖1汽車設計中的HDMI應用示例。音響主機（汽車信息娛樂系統的主控制器）有兩個HDMI輸入、一個音頻輸出、一個顯示屏視頻輸出。HDMI接收器(Rx)解碼來自兩個HDMI輸入的視頻并提取音頻。音頻轉換為模擬信號并連接至揚聲器。第一個HDMI輸入連接至安裝的藍光播放器，該播放器可能位于汽車的后備箱。第二個HDMI輸入提供與配備HDMI的便攜式媒體設備的連接，這些設備包括智能手機、平板電腦、筆記本電腦、數碼相機和攝像機等。 HDMI接口普遍應用于消費類電子設備中，但如何將它集成到汽車應用？ 雖然HDMI接口當前已經廣泛應用于各種家庭娛樂設備，但汽車應用卻向使用HDMI接口的設計提出了全新挑戰。汽車應用可能包括開放系統或封閉系統。開放系統允許連接消費型設備，例如智能電話或平板電腦。封閉系統則允許汽車娛樂系統內部的專用模塊互連。 封閉系統可以交流耦合，以提供電池短路(STB)和接地短路(STG)保護。雖然這一點在當前HDMI規范中沒有說明，但它提供了常見汽車應用問題的巧妙解決方案。如果HDMI電纜出現了故障情況，發生電池短路或接地短路，HDMI接收器和發送器IC應該不會受到損壞。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，還需要一個過壓保護電路來保護HDMI DDC線路，因為這些線路不能交流耦合。圖2顯示如何實施STB和STG保護的高電平示例。HDMI Tx和HDMI Rx交流耦合電路設計為成對使用。 圖2 HDMI的STB和STG保護CCT框圖 PCB設計注意事項： 在為HDMI TMDS線路添加STB保護電路時，我們面臨的一個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生反射的可能性。 如何在HDMI TX上實施交流耦合？ 圖3顯示在HDMI Tx TMDS線路上實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，并且應當在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，交流發電機輸出約為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100Ω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50Ω串聯內部上拉電阻。將100Ω上拉電阻與兩個50Ω電阻（相互串聯）并聯，總阻抗為50Ω。 RCLAMP0524PA TVS（瞬變電壓抑制器）器件提供ESD保護。RCLAMP0524PA的引腳間電容僅為0.3pF。這一特點使得它能夠在工作頻率超過3GHz的電路上使用，而不產生信號衰減。它能夠針對+/-15Kv氣隙放電和+/-8Kv接觸放電提供ESD保護。 圖3 TMDS線路上的HDMI TX交流耦合 HDMI TX交流耦合測試： 圖3所示電路按照以下方式構建和測試：為驗證電池短路保護電路，我們將每個TMDS線路短路連接18V電池，隨后對HDMI Tx進行功能測試，以確保它沒有損壞。經過測試，該電路在27MHz、74MHz、148MHz和165MHz頻率下符合HDMI兼容性規范。唯一的問題出現在低電平輸出電壓(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。事實證明，此電路在遠高于HDMI E型汽車連接器的74MHz頻率的工作頻率下運行良好。 如何在HDMI RX上實施交流耦合？ 在圖4中的電路中，HDMI RX為交流耦合，以應對STB和STG故障條件。交流耦合電容阻止共模電壓，并保護HDMI Rx以避免在STB和STG條件下損壞。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差分對的100Ω電阻的正確端接。RCLAMP0524器件提供必要的ESD保護。2KΩ上拉電阻用作滲漏電阻，必須選擇正確的電阻值，以應對在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。此電路經過驗證，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上游發送器的上限值。圖5顯示了數據通道1的差分阻抗測試結果。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保護電路顯示用于為HDMI DDC線路、CEC和+5V線路提供STB保護的電路。每個線路上都有MOSFET開關。正常工作條件下，一旦向MOSFET的柵極施加+5V電壓，它的作用就像開關一樣，將源極連接至漏極。如果出現STB條件，MOSFET晶體管柵極的漏極電壓將開始上升至+5V以上，從而將其關閉。在選擇這種N溝道MOSFET時，有幾個重要設計注意事項： - 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開關產生的總電容、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。 圖6 HDMI RX DDC、CEC和+5V線路的STB和STG保護電路 HDMI Rx DDC CEC和+5V線路的STB保護電路… 通過HDMI兼容性測試的設計技巧 我們使用幾種不同類型的視頻源構建和測試此電路。HDMI Tx能夠使用DDC SDA和SCL線路讀取E-EDID，且HDCP加密工作正常。在實施此電路之前，系統設計人員還需要認真考慮以下幾個問題。 ● 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電源關閉的情況下進行，因此測試將會失敗。當PCB電源關閉時，MOSFET關閉，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MOSFET開關的電容將會增加，因為它們都會并聯。 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線路上發生STB事件，該線路上的二極管將會關閉。選擇的二極管應該具備較低的開啟電壓、快速的開啟時間、大于21V的反向擊穿電壓。4.7KΩ電阻和齊納二極管可保護熱插拔檢測線路，防止在STB情況下受損。 圖7 HDMI TX DDC、CEC、HPD和5V的STB和STG保護電路 HDMI Tx DDC線路的STB保護電路… 通過HDMI兼容性測試的設計技巧 以上的DDC Tx電路經過驗證，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。設計時有一點很重要，+5V線路上的二極管必須具有小于200mV的正向壓降，同時電流為55mA，這樣才能通過HDMI兼容測試（測試ID 7-11）。 總結 使用ADV7511W HDMI發送器和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中定義的所有強制性3D電視格式。它還能夠將音頻從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165MHz HDMI發送器，適合汽車信息娛樂系統應用。ADV7511W支持HDMI v1.4a功能，包括擴展色度、高比特率音頻和3D視頻。ADV7511W的額定溫度范圍為-40℃至+105℃。 |
