关于USB Type-C的器件选择和应用分析

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。