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USB Type-C接口有可能成為未來多數筆記本電腦、智能手機的唯一數據接口，但這些僅支持USB接口的設備仍必須與那些非USB接口的設備進行交互，比如顯示器、電視機等。因此，設計人員需要考慮如何在單個連接器中實現USB和其他高速接口的轉換，其中涉及到切換引腳功能、提供諸如ESD的外部瞬變保護以及維護信號質量等問題。USB Type-C標準通過定義備用模式（Alt Mode）來滿足這些需求，這種方法能夠動態地更改引腳的功能，從而支持非USB的數據傳輸協議。 本文對各類標準進行了介紹，有了這些標準，USB Type-C才能連接到HDMI或其他非USB形式的數據接口。本文中還包含將HDMI備用模式增加到USB Type-C接口時需要考慮的主要問題。 USB規范介紹 HDMI Forum于2016年底發布了USB Type-C備用模式規范，此最新版USB標準共包括以下三個部分： USB Type-C接口規范 USB Type-C接口規范在我們所熟知的Type-A和Type-B規范基礎上進行了大幅度的修改。對于普通用戶來說，有兩點改動需要注意： Type-C 接口尺寸為8.3mmx2.5mm，較之USB Type-A和Type-B小了很多，但卻包含24個引腳，之前的版本只有4個引腳。 Type-C接口支持正反逆插，這是因為Type-C接口采用了對稱結構，無論哪一面在上，所有的信號引腳都處在相同的相對位置上。 USB Type-C還可以通過D+/D-和VBUS/GND引腳與傳統的USB 2.0系統進行交互。其引腳布局還包括其他兩個規范中定義的新功能引腳（包括備用模式）。圖1顯示的是Type-C接口標準和備用模式引腳映射。 
圖1：顯示備用模式映射的USB Type-C引腳布局（來源：Texas Instruments） USB Type 3.1規范 USB Type 3.1規范更新了USB的電氣性能，規定數據傳輸速率可達到10Gbps（規范中稱為SuperSpeed+）。此類接口需要兩個專用的高速數據差分引腳對TX和RX，而且供電標準提升至5V/150mA。 USB供電規范 USB供電規范（USB PD）規定了備用模式下的工作方式，能夠支持最高100W的充電功率，并極大地提高了供電能力。當與USB Type-C線纜一起使用時，USB PD允許兩個設備進行雙向充電。根據Type-C配置通道（CC）引腳上的通信，甚至還可以隨時改變充電方向。 盡管這三個規范是相互獨立的，但支持HDMI的USB系統必須同時符合Type-C和USB PD規范。此外，每個重新映射的引腳必須能夠支持其對應的HDMI 1.4協議的數據傳輸速率。 HDMI 1.4數據傳輸速率 HDMI 1.4共有六個以四種不同數據速率運行的數據通道： HDMI以太網和音頻回傳通道（HEAC）：支持100Base-TX（100Mbps）以太網的高速雙向數據通信通道。HEAC包括符合IEC 60958-1標準的流媒體音頻組件。 TMDS（最小化傳輸差分信號）：三個用于高速視頻和數據傳輸的差分通道。HDMI 1.4的最大數據吞吐率為10.2Gbps或單通道3.4Gbps。 DDC（顯示數據通道）：基于行業標準I2C協議的通信通道，標準速率為100 Kbps，能夠讓源設備識別支持的音頻/視頻格式。 CEC（消費端電子控制）：為低速數據通道，允許用戶控制多達15個兼容設備。此數據通道符合CENELEC EN 50157-1規范。 HDMI引腳映射 標準HDMI Type-A接口如圖2所示。圖3顯示的是支持HDMI備用模式的全新USB Type-C接口引腳定義，它將三個TMDS引腳對及其時鐘信號映射到八個USB TX/RX引腳上，兩個SBU引腳連接HEAC通道，CC引腳則用于傳輸低速CEC信號。另外還需注意，D+/D-引腳對并不會受此轉換影響，因此USB 2.0數據通道可以和HDMI和平共處。
圖2：HDMI Type-A接口共有19個引腳，其中有三個高速數據通道用作屏蔽雙絞線（來源：How Stuff Works.COM）
圖3：USB Type-C備用模式接口中HDMI模式下的引腳映射（來源：HDMI.org） 初始化HDMI備用模式 USB PD規范定義了進入備用模式所需的操作順序。當用戶在兩個USB PD端口之間連接一個主動Type-C線纜時，會在CC通道上執行一系列協商（圖4），來確定是采用USB模式還是備用模式，以及應用哪種備用模式標準，并使用一組特定的供應商定義消息（VDM）來確定要使用的標準。
圖4：當USB PD端口首次識別出另一個USB PD端口的存在時就會進行協商，從而確定采用哪種傳輸協議及數據格式（來源：Texas Instruments） 該協商過程中還涉及其他USB PD功能，比如確定所需的功率級別以及電力傳輸方向，但HDMI操作并不需要這些功能。一旦初始化序列確定了HDMI為所需協議，這兩個端口就會根據需要重新映射引腳，進入HDMI備用模式。 HDMI備用模式架構 若要USB Type-C接口支持HDMI，需要增加哪些硬件組件呢？圖5顯示的是USB PD接口的結構圖，并標出了備用模式的必備組件。請注意，即使應用沒有指定USB PD接口的功率級別，啟用備用模式也需要通過CC線路進行協商，因此必須包含USB PD PHY和PD管理器： 備用模式物理層設備（PHY）接收高端圖形處理單元（GPU）的視頻信息，并對其進行編碼以通過三個TMDS差分數據線路傳輸。 備用模式多路復用器（MUX）支持在HDMI備用模式和USB兩種模式之間進行切換。對于HDMI應用，它將HDMI信號傳輸給相應的Type-C接口引腳；對于USB 3.1應用，它連接的是RX/TX信號，并根據數據傳輸方向進行切換。
圖5：通過USB Type-C接口實現備用模式需要兩個額外的模塊，如圖中綠色部分所示（來源：Texas Instruments） 實際實現方法 HDMI 備用模式規范是全新的，因此專門為這類應用而設計的芯片組仍然還處于開發階段。不過目前已經推出了DisplayPort備用模式元件，并可與HDMI轉換器配合使用。圖6顯示的是同時支持USB、HDMI備用模式以及完整USB PD規范的USB Type-C端口框圖。
圖6：USB Type-C/HDMI端口框圖 此設計由下面兩款基礎元件構成： 第一款是Texas Instruments的TPS65982獨立式USB Type-C和PD控制器，用于執行以下多項任務： 檢測USB Type-C線纜的插入狀態與插頭方向 協商供電特性，并通過I2C協議將信息傳遞給微控制器單元，從而決定采用哪種操作模式 配置多路復用器的備用模式設置，將USB或HDMI信號傳送給相應的目標設備 在運行期間，TPS65982還會對USB供電路徑進行管理和控制 第二款是Texas Instruments的HD3SS460是一款4x6通道的高速雙向無源多路復用器/解復用器開關，可以在備用模式和USB模式間切換，同時支持接口翻轉。 此外，還有一個視頻轉換器，用于將DisplayPort信號轉換為HDMI格式。 以上，我們介紹了有關USB規范以及HDMI備用模式增加到USB Type-C接口時需要考慮的主要問題。接下來，我們將會討論用于低速引腳ESD保護的其他器件。 設計注意事項 除了上面討論的主要模塊外，還需要特別注意以下三個元件：其中兩個用于保護組件免受電磁脈沖影響，另一個可幫助提升整體系統性能。 防護注意事項 由于USB端口是暴露在外的，所以當用戶插入和拔出線纜時，必須要防止發生意外的靜電釋放(ESD)，但不同的引腳可能需要的ESD解決方案也不盡相同。在千兆數據傳輸速率下，設計人員必須采取特殊的預防措施來保持信號的完整性。需確保所有添加到高速數據通道的電路（比如ESD保護電路）引入的線路電容非常小，此外還必須在整個信號回路中保持阻抗匹配，如果不匹配，可能會導致信號抖動并降低信號質量。而SBU和CC等數據傳輸速率低的引腳，對于電容增加或阻抗不匹配沒有那么敏感。 共有八個TX/RX引腳在USB模式和HDMI模式下充當高速數據通道：包括用于USB操作的USB 3.1通道、三個TMDS通道以及用于HDMI AM操作的時鐘通道。 Texas Instruments推出的TPD4E02B04 瞬態電壓抑制器（TVS）可保護高速數據引腳。此器件是一個四通道雙向ESD保護二極管陣列，每個通道還擁有僅0.25pF的I/O電容。其行業標準USON-10封裝采用直通布線，可實現走線阻抗匹配。 下文將會討論用于低速引腳ESD保護的其他器件。 防止VBUS發生短路 USB Type-C接口的引腳間距通常只有0.5mm，與之前Type-A接口相比，引腳間更容易發生短路。SBU和CC這類與VBUS相鄰的引腳就很容易短路，尤其在USB或HDMI端口支持完整USB PD規范時，短路風險就更高了，因為這種情況下VBUS引腳的電壓可達到22V。這種持續性的電壓不僅可以短時間內出現在相鄰引腳上，在進行熱插拔的過程中甚至可以產生高達44V的瞬態電壓。 Texas Instruments(TI)的TPD8S300 USB端口保護器（見圖1），可為CC和SBU引腳上發生的VBUS短路事件提供過壓保護，還能防止發生電壓振鈴。雖然這些引腳不像前面討論的高速引腳對電容增加那么敏感，但是它們同樣需要ESD保護。TPD8S300可以保護SBU和CC引腳，并為兩個USB 2.0 D+/D-引腳對提供額外的ESD保護。
圖1：TPD8S300內部結構圖顯示了保護SBU和CC引腳不受VBUS短路影響的直插式FET和控制電路，并增加了四個額外的ESD保護通道（來源：Texas Instruments） 信號衰減補償 通過添加組件來防止ESD和VBUS短路會對高速HDMI或USB信號產生影響：盡管設計人員已盡了最大努力，但是實際使用時信號質量還是不可避免地受到影響，這是因為IC引腳寄生電容、PCB走線等因素都會影響信號到達輸出引腳時的質量。 對于信號鏈路，在Type-C接口前增加信號中繼器，是確保高數據速率下維持信號質量良好的最有效方法。信號中繼器會放大輸出信號，通過線性均衡來補償通道信號的衰減。對于采用USB Type-C接口的應用，在線纜質量不好或長度非常長時，它還可以幫助通過兼容性測試并提高設備間的互操作性。 TI推出的TUSB1046模擬和數字交叉點IC集成了備用模式多路復用器和信號中繼器，其中線性信號中繼器支持備用模式下每個通道高達8.1Gbps的數據傳輸速率，足以滿足HDMI 1.4規范的3.4Gbps需求。盡管TUSB1046最初是為DisplayPort而設計的，但是它與協議無關。圖2顯示的是適配三個HDMI TMDS通道和TMDS時鐘的DisplayPort四通道設置。
圖2：針對HDMI AM應用配置的TUSB1046信號中繼開關：此器件還支持正常模式下的USB 3.1 SuperSpeed+標準（來源：Texas Instruments） 未來發展趨勢 USB Type-C最新修訂版應用廣泛，正逐漸在成為消費電子設備（比如筆記本電腦、智能手機）的高速數據通信標準。USB Type-C備用模式讓HDMI成為目前最新的高速數據通信標準，它還規定了在USB Type-C應用中的使用規范。設計人員期待Type-C在備用模式的加持下，能夠支持除DisplayPort、Thunderbolt、MHL和HDMI以外的更多流行音頻標準。 HDMI的流行推動了支持HDMI專用備用模式的器件快速面市，不管具體的電路設計是怎樣的，本文討論的許多問題都是任何類型系統都面臨且必須解決的基本工程問題。 文章來源：貿澤電子 作者簡介：作為一名自由技術撰稿人，Paul Pickering寫過很多文章，涉及的主題包括半導體元件與技術、無源器件、封裝、電力電子系統、汽車電子、物聯網（IoT）、嵌入式軟件、EMC和替代能源。Paul在電子行業擁有超過35年的工程和市場營銷經驗，對汽車電子、精密模擬器件、功率半導體、嵌入式系統、邏輯器件、飛行模擬和機器人領域均有涉獵。他還熟練掌握了數字和模擬電路設計、嵌入式軟件和網絡技術。Paul出生于英格蘭東北部，曾在歐洲、美國和日本生活和工作。他擁有倫敦大學皇家霍洛威學院的物理與電子學士學位，并在塔爾薩大學攻讀了研究生。 |
