USB Type-C增加了HDMI

USB Type-C連接器有可能成為未來(lái)許多筆記本電腦和智能手機(jī)的唯一數(shù)據(jù)端口，但這些僅支持 USB 的設(shè)備仍需與顯示器和電視等非 USB 設(shè)備連接。在單個(gè)連接器中在 USB 和其他高速格式之間切換給設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了挑戰(zhàn)，包括在引腳功能之間切換、提供對(duì) ESD 等外部瞬態(tài)的保護(hù)以及保持信號(hào)質(zhì)量。USB Type-C 標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)定義交替模式（Alt Mode）操作方法來(lái)滿足這些需求，該方法動(dòng)態(tài)改變引腳的功能以允許使用非 USB 數(shù)據(jù)協(xié)議。

本文探討了使 USB Type-C 連接器能夠流式傳輸 HDMI 和其他非 USB 格式的各種標(biāo)準(zhǔn)，并提供了將 HDMI 交替模式功能添加到 USB Type-C 接口的關(guān)鍵設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。

USB 規(guī)范概述

HDMI 論壇管理 USB Type-C 環(huán)境的交替模式操作。2016 年底發(fā)布的最新 USB 標(biāo)準(zhǔn)包括三個(gè)部分：

USB Type-C 連接器規(guī)范

USB Type-C 連接器規(guī)范對(duì)熟悉的 Type-A 和 Type-B 版本進(jìn)行了一些重大更改。對(duì)于不經(jīng)意的觀察者來(lái)說(shuō)，有兩個(gè)特點(diǎn)很突出：

• Type-C 尺寸為 8.3mm x 2.5mm，比 USB Type-A 和 -B 連接器小得多，但包含 24 個(gè)引腳，而早期版本只有 4 個(gè)。
• Type-C 連接器是可逆的，在任何方向上均能正常工作。為此，連接器引腳排列是對(duì)稱的；無(wú)論哪一行在頂部，所有信號(hào)都處于相同的相對(duì)位置。

USB Type-C 規(guī)范可以通過(guò) D+/D- 和 VBUS/GND 引腳與傳統(tǒng) USB 2.0 系統(tǒng)進(jìn)行通信模式。引腳排列還包括其他兩個(gè)規(guī)范中定義的新功能（包括交替模式）的引腳。圖 1顯示了 Type-C 連接器的標(biāo)準(zhǔn)和替代模式映射。

圖 1：顯示交替模式映射的 USB Type-C 連接器引腳排列。（來(lái)源：德州儀器）

USB 類型 3.1 規(guī)范

USB Type 3.1規(guī)范更新了USB的電氣性能，將數(shù)據(jù)速率提高到10Gbps（規(guī)范中稱為SuperSpeed+）。這需要兩個(gè)專用于高速數(shù)據(jù)的差分 TX 和 RX 對(duì)。該規(guī)范還將基線供電能力提升至 150mA 時(shí)的 5V。

USB 供電規(guī)范

USB 供電規(guī)范 (USB PD) 定義了交替模式操作，但它也將可提供的功率提高到 100W，并極大地?cái)U(kuò)展了設(shè)計(jì)人員可用的供電選項(xiàng)范圍。當(dāng)與有源 USB Type-C 電纜一起使用時(shí)，USB PD 會(huì)在兩個(gè)設(shè)備之間增加雙向功率流；由于 Type-C 配置通道 (CC) 引腳上承載的通信通道，功率流甚至可以實(shí)時(shí)反轉(zhuǎn)。

雖然這三個(gè)規(guī)范是分開(kāi)的，但支持 HDMI 的 USB 系統(tǒng)必須同時(shí)支持 Type-C 和 USB PD 規(guī)范。此外，每個(gè)重新映射的引腳都必須支持其對(duì)應(yīng)的 HDMI 1.4 功能的數(shù)據(jù)速率。

HDMI 1.4 數(shù)據(jù)速率

HDMI 1.4 有六個(gè)數(shù)據(jù)通道，以四種不同的速度運(yùn)行：

• HDMI 以太網(wǎng)和音頻回傳通道(HEAC)：一種支持 100Base-TX (100Mbps) 以太網(wǎng)的高速雙向數(shù)據(jù)通信。HEAC 包括一個(gè)符合 IEC 60958-1 的流式音頻組件。
• TMDS (Transition Minimized Differential Signaling)：三個(gè)用于高速視頻和數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟罘滞ǖ?。HDMI 1.4 的最大吞吐量為每通道 10.2Gbps 或 3.4Gb。
• DDC（Display Data Channel）：基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)I2C協(xié)議的通信通道，標(biāo)準(zhǔn)速率為100kbps；它使源設(shè)備能夠識(shí)別支持的音頻/視頻格式。
• CEC（消費(fèi)電子控制）：允許用戶控制多達(dá) 15 個(gè)兼容設(shè)備的低速通道。該通道符合 CENELEC EN 50157-1

HDMI 引腳映射

標(biāo)準(zhǔn) HDMI Type-A 連接器如圖 2所示；圖 3顯示了 HDMI 交替模式下 USB Type-C 連接器的新引腳定義。該實(shí)現(xiàn)將三個(gè) TMDS 對(duì)及其時(shí)鐘信號(hào)映射到八個(gè) USB TX/RX 引腳。兩個(gè) SBU 引腳現(xiàn)在承載 HEAC 通道，CC 引腳承載低速 CEC 信號(hào)。請(qǐng)注意，D+/D- 對(duì)不受此轉(zhuǎn)換的影響，因此 USB 2.0 數(shù)據(jù)通道仍可與 HDMI 并行運(yùn)行。

圖 2： HDMI A 型連接器有 19 個(gè)引腳，包括三個(gè)高速數(shù)據(jù)通道作為屏蔽雙絞線（圖片來(lái)源：HowStuffWorks.com）

圖 3： USB Type-C 備用模式下 HDMI 的引腳映射（圖片來(lái)源：HDMI.org）

初始化 HDMI 交替模式

USB PD 規(guī)范定義了進(jìn)入備用模式所需的事件序列。當(dāng)用戶在兩個(gè)啟用 USB PD 的端口之間連接有源 Type-C 電纜時(shí)，會(huì)通過(guò) CC 線路進(jìn)行一系列協(xié)商（圖 4 ）。協(xié)商確定是使用 USB 還是備用模式，以及適用哪種替代模式標(biāo)準(zhǔn)；一組特定的供應(yīng)商定義的消息 (VDM) 標(biāo)識(shí)要使用的標(biāo)準(zhǔn)。

圖 4：當(dāng)支持 USB PD 的端口首先識(shí)別出另一個(gè) USB PD 端口的存在時(shí)，會(huì)進(jìn)行協(xié)商以確定供電協(xié)議和要使用的數(shù)據(jù)格式。（圖片來(lái)源：德州儀器）

雖然 HDMI 操作不需要，但協(xié)商序列還包括其他 USB PD 功能，例如所需的功率電平和功率流的方向。一旦初始化序列將 HDMI 建立為所需協(xié)議，兩個(gè)端口都將根據(jù)需要重新映射其引腳，HDMI Alt Mold 操作開(kāi)始。

HDMI 交替模式架構(gòu)

將 HDMI 添加到 USB Type-C 端口需要哪些硬件組件？圖 5顯示了 USB PD 端口的框圖，其中突出顯示了備用模式組件。請(qǐng)注意，即使應(yīng)用程序未指定 USB PD 功率級(jí)別，同意備用模式也需要通過(guò) CC 線路協(xié)商，因此仍必須包含 USB PD PHY 和 PD 管理器：

• 交替模式物理層設(shè)備(PHY) 從高端圖形處理單元 (GPU) 獲取視頻信息，并將其編碼到三個(gè) TMDS 差分?jǐn)?shù)據(jù)線上。
• 交替模式多路復(fù)用器(MUX) 允許在 HDMI AM 和 USB 實(shí)現(xiàn)之間切換。對(duì)于 HDMI 應(yīng)用，它將 HDMI 信號(hào)連接到正確的 Type-C 連接器引腳；對(duì)于 USB 3.1 應(yīng)用，它連接 RX/TX 信號(hào)并根據(jù)電纜方向交換它們。

圖 5：通過(guò) USB Type-C 實(shí)現(xiàn)備用模式需要兩個(gè)額外的模塊，以綠色顯示。（圖片來(lái)源：德州儀器）

實(shí)際實(shí)施

HDMI Alt Mode 規(guī)范是新的，因此專門為此應(yīng)用設(shè)計(jì)的芯片組仍在開(kāi)發(fā)中。不過(guò)，DisplayPort Alt Mode 部件很容易獲得，并且可以在添加 HDMI 格式轉(zhuǎn)換器的情況下使用。圖 6顯示了支持 USB、HDMI 交替模式和完整 USB PD 規(guī)范的 USB Type-C 端口的框圖。

圖 6： USB Type-C/HDMI 端口框圖

兩個(gè)器件構(gòu)成了設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)：首先，德州儀器的TPS65982獨(dú)立 USB Type-C 和 PD 控制器執(zhí)行多項(xiàng)任務(wù)：

• 它檢測(cè) USB Type-C 電纜的插入及其插頭方向。
• 它協(xié)商供電功能，并通過(guò) I2C 將信息傳遞給確定操作模式的監(jiān)控微控制器。
• 它為多路復(fù)用器配置 Alt Mode 設(shè)置，以將 USB 或 HDMI 信號(hào)路由到正確的目的地。
• 在運(yùn)行期間，TPS65982 還管理 USB 電源路由和控制。

其次，德州儀器 (TI) 的HD3SS460高速、雙向、無(wú)源 4×6 多路復(fù)用器/解復(fù)用器在交替模式和 USB 模式之間切換，并適應(yīng)連接器翻轉(zhuǎn)。

最后的構(gòu)建模塊是一個(gè)視頻轉(zhuǎn)換器，用于從 DisplayPort 切換到 HDMI 格式。

設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

除了上面討論的主要模塊外，還有三項(xiàng)特別值得仔細(xì)考慮：前兩項(xiàng)可保護(hù)組件免受電氣過(guò)壓，第三項(xiàng)可提高整體系統(tǒng)性能。

注意防護(hù)

由于 USB 端口與外界相連，因此設(shè)計(jì)必須在用戶插入或拔出電纜時(shí)提供針對(duì)潛在 ESD 沖??擊的保護(hù)，但不同的引腳需要不同的 ESD 解決方案。在千兆數(shù)據(jù)速率下，設(shè)計(jì)人員必須采取特殊的預(yù)防措施來(lái)保持信號(hào)完整性。任何添加到高速數(shù)據(jù)通道的額外電路，例如 ESD 保護(hù)設(shè)備，都必須為線路增加最小的電容；它還必須在整個(gè)信號(hào)路徑中保持阻抗匹配，因?yàn)槿魏尾黄ヅ涠紩?huì)導(dǎo)致反射，從而增加抖動(dòng)并降低信號(hào)質(zhì)量。承載低速數(shù)據(jù)的引腳，例如 SBU 和 CC，對(duì)增加的電容或阻抗不匹配不那么敏感。

八個(gè) TX/RX 引腳在 USB 和 HDMI 模式下承載高速數(shù)據(jù)通道：用于 USB 操作的 USB 3.1 通道和用于 HDMI AM 操作的三個(gè) TMDS 通道和時(shí)鐘。

Texas Instruments TPD4E02B04 瞬態(tài)電壓抑制 (TVS) 器件可保護(hù)高速數(shù)據(jù)引腳。它是一個(gè)四通道、雙向 ESD 保護(hù)二極管陣列，每個(gè)通道的 I/O 電容只有 0.25pF，并使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) USON-10 封裝和流通路由來(lái)匹配走線阻抗。

低速引腳的 ESD 保護(hù)包含在另一個(gè)器件中，接下來(lái)將討論。

防止短路到 V BUS

USB Type-C連接器的引腳間距僅為0.5mm。與早期的 A 型連接器相比，這增加了引腳對(duì)引腳短路的可能性。與 V BUS引腳相鄰的引腳（SBU 和 CC）尤其處于危險(xiǎn)之中，尤其是當(dāng) USB/HDMI 端口支持完整的 USB PD 規(guī)范時(shí)，因?yàn)樗试S V BUS引腳承載高達(dá) 22V 的電壓。這種持續(xù)的電壓不僅會(huì)在發(fā)生短路時(shí)出現(xiàn)在相鄰引腳上，而且還可能在對(duì) V BUS 熱插拔短路時(shí)產(chǎn)生高達(dá) 44V 的振鈴電壓。

Texas Instruments的TPD8S300 USB 端口保護(hù)器（圖 7）可針對(duì) CC 和 SBU 引腳上的 VBUS 短路事件提供過(guò)壓保護(hù)，并針對(duì)電壓振鈴提供保護(hù)。盡管這些引腳和其他引腳對(duì)附加電容的敏感性不如前面討論的高速引腳，但它們?nèi)匀恍枰?ESD 保護(hù)。TPD8S300 保護(hù) SBU 和 CC 引腳，并為兩個(gè) USB2.0 D+/D- 對(duì)提供額外的 ESD 保護(hù)。

圖 7： TPD8S300 框圖顯示了用于保護(hù) SBU 和 CC 引腳免受 VBUS 短路事件的串聯(lián) FET 和控制電路，以及四個(gè)額外的 ESD 保護(hù)通道。（來(lái)源：德州儀器）

補(bǔ)償信號(hào)衰減

添加組件以防止 ESD 和 V BUS短路會(huì)對(duì)高速 HDMI 或 USB 信號(hào)產(chǎn)生影響：盡管設(shè)計(jì)人員盡了最大努力，但信號(hào)質(zhì)量在通過(guò)電路板傳播時(shí)不可避免地會(huì)受到影響。IC 引腳寄生效應(yīng)、PCB 走線和過(guò)孔都會(huì)在信號(hào)到達(dá)輸出引腳之前降低信號(hào)質(zhì)量。

在 Type-C 連接器之前的信號(hào)鏈中加入轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器是一種經(jīng)濟(jì)高效的解決方案，可在高數(shù)據(jù)速率下保持良好的信號(hào)質(zhì)量。轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器可提升信號(hào)輸出并包括線性均衡以補(bǔ)償通道損耗。在 USB Type-C 系統(tǒng)中，當(dāng)與低質(zhì)量或極長(zhǎng)電纜一起使用時(shí)，它可以幫助通過(guò)合規(guī)性測(cè)試并提高設(shè)備互操作性。

Texas Instruments 的TUSB1046 將交替模式多路復(fù)用器和轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器組合到單個(gè)設(shè)備中。該部件包含一個(gè)線性轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器，可以支持每個(gè) Alt Mode 通道高達(dá) 8.1Gbps 的數(shù)據(jù)速率，對(duì)于 HDMI 1.4 的 3.4Gbps 來(lái)說(shuō)綽綽有余。盡管 TUSB1046 最初是為 DisplayPort 使用而設(shè)計(jì)的，但它與協(xié)議無(wú)關(guān)。圖 8顯示了重新用于三個(gè) HDMI TMDS 通道和 TMDS 時(shí)鐘的 DisplayPort 四通道設(shè)置。

圖 8：為 HDMI AM 應(yīng)用配置的 TUSB1046 轉(zhuǎn)接開(kāi)關(guān)：該器件還可以在正常模式下支持 USB 3.1 SuperSpeed+。（來(lái)源：德州儀器）

未來(lái)的趨勢(shì)

USB Type-C 是流行標(biāo)準(zhǔn)的最新版本，正在成為筆記本電腦和智能手機(jī)等消費(fèi)設(shè)備中高速數(shù)據(jù)通信的標(biāo)準(zhǔn)。利用 USB 的交替模式功能，HDMI 是最新的高速數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)布了定義其在 USB Type-C 環(huán)境中使用的規(guī)范。設(shè)計(jì)人員可以期待看到其他流行的視頻標(biāo)準(zhǔn)加入 DisplayPort、Thunderbolt、MHL 和 HDMI，加入交替模式的潮流。

由于 HDMI 是一個(gè)如此流行的標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)計(jì)很快就會(huì)看到專用于 HDMI 的交替模式芯片組出現(xiàn)。然而，無(wú)論特定的電路模塊如何，本文中討論的許多問(wèn)題都是基本工程問(wèn)題，任何具有類似性能的系統(tǒng)都必須解決這些問(wèn)題。

審核編輯：符乾江