播放高畫質(HD)內容(例如藍光光碟電影)需要很高的處理能力，而當前車用資訊娛樂系統中既有的處理器通常都不符合這種水準。藉由HDMI標準，汽車製造商可以更加快速和輕鬆地導入車用高畫質電影播放功能。此類系統可以採用符合車用級藍光光碟為主體，該光碟使用HDMI規範中所列的E型電纜和連接器進行連接。由於HDMI標準可為同步音訊(包括多通道高解析音訊格式)和視訊傳輸提供內容保護，因此不須要藉由其他網路或音訊匯流排與音頻放大器單獨連接。
藍光播放機的播放功能只是HDMI在汽車產業裡的一項應用。越來越多的乘客以及駕駛員都希望將個人的行動裝置連接至車用資訊娛樂系統。在不久後，智慧型手機可望成為乘客們的娛樂中心，這也將顯著降低車用資訊娛樂系統的處理要求、複雜性和成本。
智慧型手機的設計週期遠短於車用資訊娛樂系統，如果智慧型手機成為設備中樞，將可確保最新消費型產品開發成果能夠迅速應用於車用資訊娛樂系統。HDMI能夠提供高品質無壓縮傳輸，因此非常適合將行動裝置連接至車用資訊娛樂系統。對汽車產業而言，HDMI電纜具有低雜訊耦合優勢，且不易受車內其他設備的影響。
HDMI導入車用挑戰大
圖1為音響主機架構圖(車用資訊娛樂系統的主控制器)，其中有兩個HDMI輸入、一個音訊輸出、一個顯示螢幕視訊輸出。HDMI接收器(Rx)解碼來自兩個HDMI輸入的視訊，並提取音訊，音訊轉換為類比訊號並連接至揚聲器。第一個HDMI輸入連接至安裝的藍光播放機，該播放機可能位於汽車的後車廂。第二個HDMI輸入提供與配備HDMI介面的可攜式多媒體設備相互連接，這些設備包括智慧型手機、平板電腦、筆記型電腦、數位相機和攝影機等。
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| 圖1 車用影音設計中的HDMI應用範例示意圖 |
雖然HDMI介面當前已廣泛應用於各種家庭娛樂設備，但汽車應用卻向使用HDMI介面的設計提出全新挑戰。汽車應用可能包括開放系統或封閉系統，其中開放系統允許連接消費型設備，例如智慧型手機或平板電腦；封閉系統則允許汽車娛樂系統內部的專用模組相互連結。
封閉系統可採交流耦合(AC Coupled)，以提供電池短路(Short to Battery, STB)和接地短路(Short to Ground, STG)保護。雖然這一點在當前HDMI規範中並沒有說明，但它提供常見汽車應用問題的解決方案。
如果HDMI電纜故障，發生電池短路或接地短路，HDMI接收器和發送器積體電路(IC)應該不會受到損壞。在HDMI介面中使用的訊號位準是3.3伏特(V)和5伏特，因此汽車電池正端(12伏特)短路通常會損壞HDMI接收器和發送器。如果HDMI介面交流耦合，則HDMI Rx和Tx之間的共模電壓不會損壞IC。此外，這還需要一個過壓保護電路來保護HDMI顯示資料通道(DDC)線路，因為這些線路不能交流耦合。圖2所示方塊圖為STB和STG保護的高位準範例，HDMI Tx和HDMI Rx交流耦合電路設計為成對使用。
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| 圖2 HDMI STB和STG保護的高位準範例 |
印刷電路板設計注意事項
為HDMI最小化傳輸差動信令(Transition-Minimized Differential Signaling, TMDS)線路添加STB保護電路時，面臨一個很大難題是不能影響線路性能或其阻抗匹配。為滿足相容性要求，建議讓STB保護電路盡可能接近HDMI TMDS導線，這樣可以最大程度減少導線外的分支線長度，並降低由分支線而引發反射的可能。
圖3顯示在HDMI Tx TMDS線路上施行交流耦合時可以利用的一種電路。交流耦合電容提供STB和STG隔離，並且應當在TMDS頻率下視為短路，還要能承受18伏特直流電壓。由於汽車電池的輸出通常為12伏特，交流發電機輸出約為14.5伏特，因此STB測試通常使用18伏特電壓，以提供一些安全餘裕。
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| 圖3 HDMI Tx TMDS線路施行交流耦合可用電路範例 |
HDMI Tx切換電流源，須要為3.3伏特電壓提供箝位(Pull-up)電阻。這裡顯示100歐姆(Ω)箝位電阻的作用。TMDS線路差動對(Differential Pair)的每條線路必須具有50歐姆的交流阻抗。此處未顯示該阻抗，但在下游HDMI Rx有第二個50歐姆串聯內部箝位電阻。將100歐姆箝位電阻與兩個50歐姆電阻(相互串聯)並聯，總阻抗為50歐姆。
RCLAMP0524PA瞬變電壓抑制器(Transient Voltage Suppressor, TVS)元件提供靜電放電(ESD)保護。RCLAMP0524PA的接腳間隙電容僅為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，而不會讓訊號衰減。它能夠針對±15kV氣隙放電和±8千伏特接觸放電提供ESD保護。
HDMI Tx交流耦合測試
圖3所示電路按照以下方式建構和測試，為驗證電池短路保護電路，在此將每個TMDS線路短路連接18伏特電池，隨後對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相容性規範。唯一的問題出現在低位準輸出電壓(VL)測試中。但是，HDMI Rx交流耦合電路中的ADV7612可以承受更高的VL位準。事實證明，此電路在遠高於HDMI E型汽車連接器的74MHz頻率的工作頻率下運作良好。
如何在HDMI Rx上施行交流耦合
在圖4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，並保護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動對的100歐姆電阻的正確端接。RCLAMP0524元件提供必要的ESD保護。2kΩ箝位電阻用做滲漏電阻，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(W)
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| 圖4 HDMI Rx TMDS交流耦合電路示意圖 |
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交流耦合電容之間的唯一電路是洩漏電阻。此電路經過驗證，不受電池短路和接地短路條件的影響。它還通過最高165MHz頻率下的HDMI TMDS相容性測試，該頻率也是ADV7511W上游發送器的上限值。圖5顯示資料通道一的差動阻抗測試結果。允許的最大差動阻抗為115歐姆，最小差動阻抗為85歐姆。
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| 圖5 TMDS差動阻抗測試 |
其他HDMI Rx線路如何承受STB和STG
圖6為HDMI Rx DDC、消費性電子產品控制(Consumer Electronics Control, CEC)和+5伏特線路的STB和STG保護電路。每個線路上都有金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)開關。正常工作條件下，一旦向MOSFET的閘極施加+5伏特電壓，它的作用就像開關一樣，將源極(S)連接至汲極(D)。如果出現STB條件，MOSFET電晶體閘極(G)的汲極電壓將開始上升至+5伏特以上，從而將其關閉。在選擇這種N通道MOSFET時，有幾個重要設計注意事項，首先是它的閘極-汲極和汲極-源極擊穿電壓必須大於18伏特，另外它必須有非常小的輸出電容。
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| 圖6 HDMI Rx DDC、CEC和+5V線路的STB 和STG保護電路 |
DDC_SCL和DDC_SDA的線路電容必須小於50pF才能通過HDMI相容性測試，此電容包括來自HDMI連接器的導線電容。由於MOSFET開關產生的總電容、HDMI接收器DDC接腳的電容，如果汲極至源極的壓降大於0.5伏特，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4.5～5.5伏特範圍內。
在此使用幾種不同類型的視訊源，來建構和測試此電路。HDMI Tx能夠使用DDC SDA和SCL線路讀取E-EDID，且HDCP加密工作正常。在施行此電路之前，系統設計人員還須要認真考慮以下幾個問題：
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此測試可測量印刷電路板(PCB)上HDMI輸入至HDMI輸出(如果有)的CEC阻抗。由於此測試在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。 |
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如果PCB上有多個HDMI Rx，次測試可能失敗，具體取決於所選的MOSFET。對於非根本的CEC元件(Non-root Device)，測試限值小於150pF。各CEC線路上每個MOSFET開關的電容將會增加，因為它們都會並聯。 |
HDMI Tx DDC、CEC和HPD線路如何承受STB和STG
圖7為HDMI Tx DDC、CEC、HPD和5伏特的STB和STG保護電路，顯示讓DDC、CEC和HPD線路能夠承受STB和STG條件所需要的配置。它類似HDMI Rx DDC電路，不同之處在於+5伏特線路和熱插拔檢測線路的處理。如果5伏特線路上發生STB事件，該線路上的二極體將會關閉。選擇的二極體應該具備較低的開啟電壓、快速的開啟時間、大於21伏特的反向擊穿電壓。4.7kΩ電阻和齊納二極體可保護熱插拔檢測線路，防止在STB情況下受損。
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| 圖7 HDMI Tx DDC、CEC、HPD和5V的STB和STG保護電路 |
以上的DDC Tx電路經過驗證，並且通過HDMI相容性測試。HDMI Tx可以利用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，+5伏特線路上的二極體必須具有小於200毫伏特(mV)的正向壓降，同時電流為55毫安培(mA)，如此方可通過HDMI相容測試(測試ID 7-11)。
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，內建的各種元件都是由亞德諾(ADI)提供的汽車應用級IC。
ADV7612W是一款225MHz低功耗雙輸入HDMI接收器，它支援HDMI 1.4a中定義的所有強制性三維(3D)電視格式，還能夠將音訊從HDMI串流中提取至音訊輸出介面，其額定溫度範圍為-40～+85℃。ADV7511W是一款165MHz HDMI發送器，適合車用資訊娛樂系統應用，其同樣支援HDMI 1.4a功能，包括擴展色度、高位元速率音訊和3D視訊，ADV7511W的額定溫度範圍為-40～+105℃。
(本文作者任職於亞德諾)