无需转接！新版USB Type-C直接支持HDMI输出
发布时间：2020-2-26 10:43
发布者：eechina
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USB Type-C接口有可能成为未来多数笔记本电脑、智能手机的唯一数据接口，但这些仅支持USB接口的设备仍必须与那些非USB接口的设备进行交互，比如显示器、电视机等。因此，设计人员需要考虑如何在单个连接器中实现USB和其他高速接口的转换，其中涉及到切换引脚功能、提供诸如ESD的外部瞬变保护以及维护信号质量等问题。USB Type-C标准通过定义备用模式（Alt Mode）来满足这些需求，这种方法能够动态地更改引脚的功能，从而支持非USB的数据传输协议。 本文对各类标准进行了介绍，有了这些标准，USB Type-C才能连接到HDMI或其他非USB形式的数据接口。本文中还包含将HDMI备用模式增加到USB Type-C接口时需要考虑的主要问题。 USB规范介绍 HDMI Forum于2016年底发布了USB Type-C备用模式规范，此最新版USB标准共包括以下三个部分： USB Type-C接口规范 USB Type-C接口规范在我们所熟知的Type-A和Type-B规范基础上进行了大幅度的修改。对于普通用户来说，有两点改动需要注意： Type-C 接口尺寸为8.3mmx2.5mm，较之USB Type-A和Type-B小了很多，但却包含24个引脚，之前的版本只有4个引脚。 Type-C接口支持正反逆插，这是因为Type-C接口采用了对称结构，无论哪一面在上，所有的信号引脚都处在相同的相对位置上。 USB Type-C还可以通过D+/D-和VBUS/GND引脚与传统的USB 2.0系统进行交互。其引脚布局还包括其他两个规范中定义的新功能引脚（包括备用模式）。图1显示的是Type-C接口标准和备用模式引脚映射。 
图1：显示备用模式映射的USB Type-C引脚布局（来源：Texas Instruments） USB Type 3.1规范 USB Type 3.1规范更新了USB的电气性能，规定数据传输速率可达到10Gbps（规范中称为SuperSpeed+）。此类接口需要两个专用的高速数据差分引脚对TX和RX，而且供电标准提升至5V/150mA。 USB供电规范 USB供电规范（USB PD）规定了备用模式下的工作方式，能够支持最高100W的充电功率，并极大地提高了供电能力。当与USB Type-C线缆一起使用时，USB PD允许两个设备进行双向充电。根据Type-C配置通道（CC）引脚上的通信，甚至还可以随时改变充电方向。 尽管这三个规范是相互独立的，但支持HDMI的USB系统必须同时符合Type-C和USB PD规范。此外，每个重新映射的引脚必须能够支持其对应的HDMI 1.4协议的数据传输速率。 HDMI 1.4数据传输速率 HDMI 1.4共有六个以四种不同数据速率运行的数据通道： HDMI以太网和音频回传通道（HEAC）：支持100Base-TX（100Mbps）以太网的高速双向数据通信通道。HEAC包括符合IEC 60958-1标准的流媒体音频组件。 TMDS（最小化传输差分信号）：三个用于高速视频和数据传输的差分通道。HDMI 1.4的最大数据吞吐率为10.2Gbps或单通道3.4Gbps。 DDC（显示数据通道）：基于行业标准I2C协议的通信通道，标准速率为100 Kbps，能够让源设备识别支持的音频/视频格式。 CEC（消费端电子控制）：为低速数据通道，允许用户控制多达15个兼容设备。此数据通道符合CENELEC EN 50157-1规范。 HDMI引脚映射 标准HDMI Type-A接口如图2所示。图3显示的是支持HDMI备用模式的全新USB Type-C接口引脚定义，它将三个TMDS引脚对及其时钟信号映射到八个USB TX/RX引脚上，两个SBU引脚连接HEAC通道，CC引脚则用于传输低速CEC信号。另外还需注意，D+/D-引脚对并不会受此转换影响，因此USB 2.0数据通道可以和HDMI和平共处。 
图2：HDMI Type-A接口共有19个引脚，其中有三个高速数据通道用作屏蔽双绞线（来源：How Stuff Works.COM） 
图3：USB Type-C备用模式接口中HDMI模式下的引脚映射（来源：HDMI.org） 初始化HDMI备用模式 USB PD规范定义了进入备用模式所需的操作顺序。当用户在两个USB PD端口之间连接一个主动Type-C线缆时，会在CC通道上执行一系列协商（图4），来确定是采用USB模式还是备用模式，以及应用哪种备用模式标准，并使用一组特定的供应商定义消息（VDM）来确定要使用的标准。 
图4：当USB PD端口首次识别出另一个USB PD端口的存在时就会进行协商，从而确定采用哪种传输协议及数据格式（来源：Texas Instruments） 该协商过程中还涉及其他USB PD功能，比如确定所需的功率级别以及电力传输方向，但HDMI操作并不需要这些功能。一旦初始化序列确定了HDMI为所需协议，这两个端口就会根据需要重新映射引脚，进入HDMI备用模式。 HDMI备用模式架构 若要USB Type-C接口支持HDMI，需要增加哪些硬件组件呢？图5显示的是USB PD接口的结构图，并标出了备用模式的必备组件。请注意，即使应用没有指定USB PD接口的功率级别，启用备用模式也需要通过CC线路进行协商，因此必须包含USB PD PHY和PD管理器： 备用模式物理层设备（PHY）接收高端图形处理单元（GPU）的视频信息，并对其进行编码以通过三个TMDS差分数据线路传输。 备用模式多路复用器（MUX）支持在HDMI备用模式和USB两种模式之间进行切换。对于HDMI应用，它将HDMI信号传输给相应的Type-C接口引脚；对于USB 3.1应用，它连接的是RX/TX信号，并根据数据传输方向进行切换。 
图5：通过USB Type-C接口实现备用模式需要两个额外的模块，如图中绿色部分所示（来源：Texas Instruments） 实际实现方法 HDMI 备用模式规范是全新的，因此专门为这类应用而设计的芯片组仍然还处于开发阶段。不过目前已经推出了DisplayPort备用模式元件，并可与HDMI转换器配合使用。图6显示的是同时支持USB、HDMI备用模式以及完整USB PD规范的USB Type-C端口框图。 
图6：USB Type-C/HDMI端口框图 此设计由下面两款基础元件构成： 第一款是Texas Instruments的TPS65982独立式USB Type-C和PD控制器，用于执行以下多项任务： 检测USB Type-C线缆的插入状态与插头方向 协商供电特性，并通过I2C协议将信息传递给微控制器单元，从而决定采用哪种操作模式 配置多路复用器的备用模式设置，将USB或HDMI信号传送给相应的目标设备 在运行期间，TPS65982还会对USB供电路径进行管理和控制 第二款是Texas Instruments的HD3SS460是一款4x6通道的高速双向无源多路复用器/解复用器开关，可以在备用模式和USB模式间切换，同时支持接口翻转。 此外，还有一个视频转换器，用于将DisplayPort信号转换为HDMI格式。 以上，我们介绍了有关USB规范以及HDMI备用模式增加到USB Type-C接口时需要考虑的主要问题。接下来，我们将会讨论用于低速引脚ESD保护的其他器件。 设计注意事项 除了上面讨论的主要模块外，还需要特别注意以下三个元件：其中两个用于保护组件免受电磁脉冲影响，另一个可帮助提升整体系统性能。 防护注意事项 由于USB端口是暴露在外的，所以当用户插入和拔出线缆时，必须要防止发生意外的静电释放(ESD)，但不同的引脚可能需要的ESD解决方案也不尽相同。在千兆数据传输速率下，设计人员必须采取特殊的预防措施来保持信号的完整性。需确保所有添加到高速数据通道的电路（比如ESD保护电路）引入的线路电容非常小，此外还必须在整个信号回路中保持阻抗匹配，如果不匹配，可能会导致信号抖动并降低信号质量。而SBU和CC等数据传输速率低的引脚，对于电容增加或阻抗不匹配没有那么敏感。 共有八个TX/RX引脚在USB模式和HDMI模式下充当高速数据通道：包括用于USB操作的USB 3.1通道、三个TMDS通道以及用于HDMI AM操作的时钟通道。 Texas Instruments推出的TPD4E02B04 瞬态电压抑制器（TVS）可保护高速数据引脚。此器件是一个四通道双向ESD保护二极管阵列，每个通道还拥有仅0.25pF的I/O电容。其行业标准USON-10封装采用直通布线，可实现走线阻抗匹配。 下文将会讨论用于低速引脚ESD保护的其他器件。 防止VBUS发生短路 USB Type-C接口的引脚间距通常只有0.5mm，与之前Type-A接口相比，引脚间更容易发生短路。SBU和CC这类与VBUS相邻的引脚就很容易短路，尤其在USB或HDMI端口支持完整USB PD规范时，短路风险就更高了，因为这种情况下VBUS引脚的电压可达到22V。这种持续性的电压不仅可以短时间内出现在相邻引脚上，在进行热插拔的过程中甚至可以产生高达44V的瞬态电压。 Texas Instruments(TI)的TPD8S300 USB端口保护器（见图1），可为CC和SBU引脚上发生的VBUS短路事件提供过压保护，还能防止发生电压振铃。虽然这些引脚不像前面讨论的高速引脚对电容增加那么敏感，但是它们同样需要ESD保护。TPD8S300可以保护SBU和CC引脚，并为两个USB 2.0 D+/D-引脚对提供额外的ESD保护。 
图1：TPD8S300内部结构图显示了保护SBU和CC引脚不受VBUS短路影响的直插式FET和控制电路，并增加了四个额外的ESD保护通道（来源：Texas Instruments） 信号衰减补偿 通过添加组件来防止ESD和VBUS短路会对高速HDMI或USB信号产生影响：尽管设计人员已尽了最大努力，但是实际使用时信号质量还是不可避免地受到影响，这是因为IC引脚寄生电容、PCB走线等因素都会影响信号到达输出引脚时的质量。 对于信号链路，在Type-C接口前增加信号中继器，是确保高数据速率下维持信号质量良好的最有效方法。信号中继器会放大输出信号，通过线性均衡来补偿通道信号的衰减。对于采用USB Type-C接口的应用，在线缆质量不好或长度非常长时，它还可以帮助通过兼容性测试并提高设备间的互操作性。 TI推出的TUSB1046模拟和数字交叉点IC集成了备用模式多路复用器和信号中继器，其中线性信号中继器支持备用模式下每个通道高达8.1Gbps的数据传输速率，足以满足HDMI 1.4规范的3.4Gbps需求。尽管TUSB1046最初是为DisplayPort而设计的，但是它与协议无关。图2显示的是适配三个HDMI TMDS通道和TMDS时钟的DisplayPort四通道设置。 
图2：针对HDMI AM应用配置的TUSB1046信号中继开关：此器件还支持正常模式下的USB 3.1 SuperSpeed+标准（来源：Texas Instruments） 未来发展趋势 USB Type-C最新修订版应用广泛，正逐渐在成为消费电子设备（比如笔记本电脑、智能手机）的高速数据通信标准。USB Type-C备用模式让HDMI成为目前最新的高速数据通信标准，它还规定了在USB Type-C应用中的使用规范。设计人员期待Type-C在备用模式的加持下，能够支持除DisplayPort、Thunderbolt、MHL和HDMI以外的更多流行音频标准。 HDMI的流行推动了支持HDMI专用备用模式的器件快速面市，不管具体的电路设计是怎样的，本文讨论的许多问题都是任何类型系统都面临且必须解决的基本工程问题。 文章来源：贸泽电子 作者简介：作为一名自由技术撰稿人，Paul Pickering写过很多文章，涉及的主题包括半导体元件与技术、无源器件、封装、电力电子系统、汽车电子、物联网（IoT）、嵌入式软件、EMC和替代能源。Paul在电子行业拥有超过35年的工程和市场营销经验，对汽车电子、精密模拟器件、功率半导体、嵌入式系统、逻辑器件、飞行模拟和机器人领域均有涉猎。他还熟练掌握了数字和模拟电路设计、嵌入式软件和网络技术。Paul出生于英格兰东北部，曾在欧洲、美国和日本生活和工作。他拥有伦敦大学皇家霍洛威学院的物理与电子学士学位，并在塔尔萨大学攻读了研究生。 |
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