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USB Type-C接口有可能成為未來多數(shù)筆記本電腦、智能手機的唯一數(shù)據(jù)接口，但這些僅支持USB接口的設(shè)備仍必須與那些非USB接口的設(shè)備進行交互，比如顯示器、電視機等。因此，設(shè)計人員需要考慮如何在單個連接器中實現(xiàn)USB和其他高速接口的轉(zhuǎn)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(zhì)量等問題。USB Type-C標(biāo)準(zhǔn)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(tài)地更改引腳的功能，從而支持非USB的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。 本文對各類標(biāo)準(zhǔn)進行了介紹，有了這些標(biāo)準(zhǔn)，USB Type-C才能連接到HDMI或其他非USB形式的數(shù)據(jù)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(guī)范介紹 HDMI Forum于2016年底發(fā)布了USB Type-C備用模式規(guī)范，此最新版USB標(biāo)準(zhǔn)共包括以下三個部分： USB Type-C接口規(guī)范 USB Type-C接口規(guī)范在我們所熟知的Type-A和Type-B規(guī)范基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)，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(tǒng)的USB 2.0系統(tǒng)進行交互。其引腳布局還包括其他兩個規(guī)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(biāo)準(zhǔn)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(guī)范 USB Type 3.1規(guī)范更新了USB的電氣性能，規(guī)定數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)到10Gbps（規(guī)范中稱為SuperSpeed+）。此類接口需要兩個專用的高速數(shù)據(jù)差分引腳對TX和RX，而且供電標(biāo)準(zhǔn)提升至5V/150mA。 USB供電規(guī)范 USB供電規(guī)范（USB PD）規(guī)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(dāng)與USB Type-C線纜一起使用時，USB PD允許兩個設(shè)備進行雙向充電。根據(jù)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(guī)范是相互獨立的，但支持HDMI的USB系統(tǒng)必須同時符合Type-C和USB PD規(guī)范。此外，每個重新映射的引腳必須能夠支持其對應(yīng)的HDMI 1.4協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸速率。 HDMI 1.4數(shù)據(jù)傳輸速率 HDMI 1.4共有六個以四種不同數(shù)據(jù)速率運行的數(shù)據(jù)通道： HDMI以太網(wǎng)和音頻回傳通道（HEAC）：支持100Base-TX（100Mbps）以太網(wǎng)的高速雙向數(shù)據(jù)通信通道。HEAC包括符合IEC 60958-1標(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù)傳輸?shù)牟罘滞ǖ馈DMI 1.4的最大數(shù)據(jù)吞吐率為10.2Gbps或單通道3.4Gbps。 DDC（顯示數(shù)據(jù)通道）：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100 Kbps，能夠讓源設(shè)備識別支持的音頻/視頻格式。 CEC（消費端電子控制）：為低速數(shù)據(jù)通道，允許用戶控制多達(dá)15個兼容設(shè)備。此數(shù)據(jù)通道符合CENELEC EN 50157-1規(guī)范。 HDMI引腳映射 標(biāo)準(zhǔn)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?shù)退貱EC信號。另外還需注意，D+/D-引腳對并不會受此轉(zhuǎn)換影響，因此USB 2.0數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(guī)范定義了進入備用模式所需的操作順序。當(dāng)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(zhí)行一系列協(xié)商（圖4），來確定是采用USB模式還是備用模式，以及應(yīng)用哪種備用模式標(biāo)準(zhǔn)，并使用一組特定的供應(yīng)商定義消息（VDM）來確定要使用的標(biāo)準(zhǔn)。
圖4：當(dāng)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(xié)商，從而確定采用哪種傳輸協(xié)議及數(shù)據(jù)格式（來源：Texas Instruments） 該協(xié)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(xié)議，這兩個端口就會根據(jù)需要重新映射引腳，進入HDMI備用模式。 HDMI備用模式架構(gòu) 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(jié)構(gòu)圖，并標(biāo)出了備用模式的必備組件。請注意，即使應(yīng)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(xié)商，因此必須包含USB PD PHY和PD管理器： 備用模式物理層設(shè)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?jǐn)?shù)據(jù)線路傳輸。 備用模式多路復(fù)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(yīng)用，它將HDMI信號傳輸給相應(yīng)的Type-C接口引腳；對于USB 3.1應(yīng)用，它連接的是RX/TX信號，并根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸方向進行切換。
圖5：通過USB Type-C接口實現(xiàn)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(xiàn)方法 HDMI 備用模式規(guī)范是全新的，因此專門為這類應(yīng)用而設(shè)計的芯片組仍然還處于開發(fā)階段。不過目前已經(jīng)推出了DisplayPort備用模式元件，并可與HDMI轉(zhuǎn)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(guī)范的USB Type-C端口框圖。
圖6：USB Type-C/HDMI端口框圖 此設(shè)計由下面兩款基礎(chǔ)元件構(gòu)成： 第一款是Texas Instruments的TPS65982獨立式USB Type-C和PD控制器，用于執(zhí)行以下多項任務(wù)： 檢測USB Type-C線纜的插入狀態(tài)與插頭方向 協(xié)商供電特性，并通過I2C協(xié)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(fù)用器的備用模式設(shè)置，將USB或HDMI信號傳送給相應(yīng)的目標(biāo)設(shè)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(fù)用器/解復(fù)用器開關(guān)，可以在備用模式和USB模式間切換，同時支持接口翻轉(zhuǎn)。 此外，還有一個視頻轉(zhuǎn)換器，用于將DisplayPort信號轉(zhuǎn)換為HDMI格式。 以上，我們介紹了有關(guān)USB規(guī)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(shè)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(tǒng)性能。 防護注意事項 由于USB端口是暴露在外的，所以當(dāng)用戶插入和拔出線纜時，必須要防止發(fā)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(shù)據(jù)傳輸速率下，設(shè)計人員必須采取特殊的預(yù)防措施來保持信號的完整性。需確保所有添加到高速數(shù)據(jù)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(dǎo)致信號抖動并降低信號質(zhì)量。而SBU和CC等數(shù)據(jù)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(dāng)高速數(shù)據(jù)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(tài)電壓抑制器（TVS）可保護高速數(shù)據(jù)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(yè)標(biāo)準(zhǔn)USON-10封裝采用直通布線，可實現(xiàn)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(fā)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(fā)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(guī)范時，短路風(fēng)險就更高了，因為這種情況下VBUS引腳的電壓可達(dá)到22V。這種持續(xù)性的電壓不僅可以短時間內(nèi)出現(xiàn)在相鄰引腳上，在進行熱插拔的過程中甚至可以產(chǎn)生高達(dá)44V的瞬態(tài)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(fā)生的VBUS短路事件提供過壓保護，還能防止發(fā)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(nèi)部結(jié)構(gòu)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(chǎn)生影響：盡管設(shè)計人員已盡了最大努力，但是實際使用時信號質(zhì)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(dá)輸出引腳時的質(zhì)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(shù)據(jù)速率下維持信號質(zhì)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(yīng)用，在線纜質(zhì)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(shè)備間的互操作性。 TI推出的TUSB1046模擬和數(shù)字交叉點IC集成了備用模式多路復(fù)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(dá)8.1Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，足以滿足HDMI 1.4規(guī)范的3.4Gbps需求。盡管TUSB1046最初是為DisplayPort而設(shè)計的，但是它與協(xié)議無關(guān)。圖2顯示的是適配三個HDMI TMDS通道和TMDS時鐘的DisplayPort四通道設(shè)置。
圖2：針對HDMI AM應(yīng)用配置的TUSB1046信號中繼開關(guān)：此器件還支持正常模式下的USB 3.1 SuperSpeed+標(biāo)準(zhǔn)（來源：Texas Instruments） 未來發(fā)展趨勢 USB Type-C最新修訂版應(yīng)用廣泛，正逐漸在成為消費電子設(shè)備（比如筆記本電腦、智能手機）的高速數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)。USB Type-C備用模式讓HDMI成為目前最新的高速數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)，它還規(guī)定了在USB Type-C應(yīng)用中的使用規(guī)范。設(shè)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(biāo)準(zhǔn)。 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(shè)計是怎樣的，本文討論的許多問題都是任何類型系統(tǒng)都面臨且必須解決的基本工程問題。 文章來源：貿(mào)澤電子 作者簡介：作為一名自由技術(shù)撰稿人，Paul Pickering寫過很多文章，涉及的主題包括半導(dǎo)體元件與技術(shù)、無源器件、封裝、電力電子系統(tǒng)、汽車電子、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、嵌入式軟件、EMC和替代能源。Paul在電子行業(yè)擁有超過35年的工程和市場營銷經(jīng)驗，對汽車電子、精密模擬器件、功率半導(dǎo)體、嵌入式系統(tǒng)、邏輯器件、飛行模擬和機器人領(lǐng)域均有涉獵。他還熟練掌握了數(shù)字和模擬電路設(shè)計、嵌入式軟件和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。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(xué)皇家霍洛威學(xué)院的物理與電子學(xué)士學(xué)位，并在塔爾薩大學(xué)攻讀了研究生。 |
