USB Type-C增加了HDMI

USB Type-C连接器有可能成为未来许多笔记本电脑和智能手机的唯一数据端口，但这些仅支持 USB 的设备仍需与显示器和电视等非 USB 设备连接。在单个连接器中在 USB 和其他高速格式之间切换给设计人员带来了挑战，包括在引脚功能之间切换、提供对 ESD 等外部瞬态的保护以及保持信号质量。USB Type-C 标准通过定义交替模式（Alt Mode）操作方法来满足这些需求，该方法动态改变引脚的功能以允许使用非 USB 数据协议。

本文探讨了使 USB Type-C 连接器能够流式传输 HDMI 和其他非 USB 格式的各种标准，并提供了将 HDMI 交替模式功能添加到 USB Type-C 接口的关键设计注意事项。

USB 规范概述

HDMI 论坛管理 USB Type-C 环境的交替模式操作。2016 年底发布的最新 USB 标准包括三个部分：

USB Type-C 连接器规范

USB Type-C 连接器规范对熟悉的 Type-A 和 Type-B 版本进行了一些重大更改。对于不经意的观察者来说，有两个特点很突出：

• Type-C 尺寸为 8.3mm x 2.5mm，比 USB Type-A 和 -B 连接器小得多，但包含 24 个引脚，而早期版本只有 4 个。
• Type-C 连接器是可逆的，在任何方向上均能正常工作。为此，连接器引脚排列是对称的；无论哪一行在顶部，所有信号都处于相同的相对位置。

USB Type-C 规范可以通过 D+/D- 和 VBUS/GND 引脚与传统 USB 2.0 系统进行通信模式。引脚排列还包括其他两个规范中定义的新功能（包括交替模式）的引脚。图 1显示了 Type-C 连接器的标准和替代模式映射。

图 1：显示交替模式映射的 USB Type-C 连接器引脚排列。（来源：德州仪器）

USB 类型 3.1 规范

USB Type 3.1规范更新了USB的电气性能，将数据速率提高到10Gbps（规范中称为SuperSpeed+）。这需要两个专用于高速数据的差分 TX 和 RX 对。该规范还将基线供电能力提升至 150mA 时的 5V。

USB 供电规范

USB 供电规范 (USB PD) 定义了交替模式操作，但它也将可提供的功率提高到 100W，并极大地扩展了设计人员可用的供电选项范围。当与有源 USB Type-C 电缆一起使用时，USB PD 会在两个设备之间增加双向功率流；由于 Type-C 配置通道 (CC) 引脚上承载的通信通道，功率流甚至可以实时反转。

虽然这三个规范是分开的，但支持 HDMI 的 USB 系统必须同时支持 Type-C 和 USB PD 规范。此外，每个重新映射的引脚都必须支持其对应的 HDMI 1.4 功能的数据速率。

HDMI 1.4 数据速率

HDMI 1.4 有六个数据通道，以四种不同的速度运行：

• HDMI 以太网和音频回传通道(HEAC)：一种支持 100Base-TX (100Mbps) 以太网的高速双向数据通信。HEAC 包括一个符合 IEC 60958-1 的流式音频组件。
• TMDS (Transition Minimized Differential Signaling)：三个用于高速视频和数据传输的差分通道。HDMI 1.4 的最大吞吐量为每通道 10.2Gbps 或 3.4Gb。
• DDC（Display Data Channel）：基于行业标准I2C协议的通信通道，标准速率为100kbps；它使源设备能够识别支持的音频/视频格式。
• CEC（消费电子控制）：允许用户控制多达 15 个兼容设备的低速通道。该通道符合 CENELEC EN 50157-1

HDMI 引脚映射

标准 HDMI Type-A 连接器如图 2所示；图 3显示了 HDMI 交替模式下 USB Type-C 连接器的新引脚定义。该实现将三个 TMDS 对及其时钟信号映射到八个 USB TX/RX 引脚。两个 SBU 引脚现在承载 HEAC 通道，CC 引脚承载低速 CEC 信号。请注意，D+/D- 对不受此转换的影响，因此 USB 2.0 数据通道仍可与 HDMI 并行运行。

 图 2： HDMI A 型连接器有 19 个引脚，包括三个高速数据通道作为屏蔽双绞线（图片来源：HowStuffWorks.com）

图 3： USB Type-C 备用模式下 HDMI 的引脚映射（图片来源：HDMI.org）

初始化 HDMI 交替模式

USB PD 规范定义了进入备用模式所需的事件序列。当用户在两个启用 USB PD 的端口之间连接有源 Type-C 电缆时，会通过 CC 线路进行一系列协商（图 4 ）。协商确定是使用 USB 还是备用模式，以及适用哪种替代模式标准；一组特定的供应商定义的消息 (VDM) 标识要使用的标准。

图 4：当支持 USB PD 的端口首先识别出另一个 USB PD 端口的存在时，会进行协商以确定供电协议和要使用的数据格式。（图片来源：德州仪器）

虽然 HDMI 操作不需要，但协商序列还包括其他 USB PD 功能，例如所需的功率电平和功率流的方向。一旦初始化序列将 HDMI 建立为所需协议，两个端口都将根据需要重新映射其引脚，HDMI Alt Mold 操作开始。

HDMI 交替模式架构

将 HDMI 添加到 USB Type-C 端口需要哪些硬件组件？图 5显示了 USB PD 端口的框图，其中突出显示了备用模式组件。请注意，即使应用程序未指定 USB PD 功率级别，同意备用模式也需要通过 CC 线路协商，因此仍必须包含 USB PD PHY 和 PD 管理器：

• 交替模式物理层设备(PHY) 从高端图形处理单元 (GPU) 获取视频信息，并将其编码到三个 TMDS 差分数据线上。
• 交替模式多路复用器(MUX) 允许在 HDMI AM 和 USB 实现之间切换。对于 HDMI 应用，它将 HDMI 信号连接到正确的 Type-C 连接器引脚；对于 USB 3.1 应用，它连接 RX/TX 信号并根据电缆方向交换它们。

图 5：通过 USB Type-C 实现备用模式需要两个额外的模块，以绿色显示。（图片来源：德州仪器）

实际实施

HDMI Alt Mode 规范是新的，因此专门为此应用设计的芯片组仍在开发中。不过，DisplayPort Alt Mode 部件很容易获得，并且可以在添加 HDMI 格式转换器的情况下使用。图 6显示了支持 USB、HDMI 交替模式和完整 USB PD 规范的 USB Type-C 端口的框图。

图 6： USB Type-C/HDMI 端口框图

两个器件构成了设计的基础：首先，德州仪器的TPS65982独立 USB Type-C 和 PD 控制器执行多项任务：

• 它检测 USB Type-C 电缆的插入及其插头方向。
• 它协商供电功能，并通过 I2C 将信息传递给确定操作模式的监控微控制器。
• 它为多路复用器配置 Alt Mode 设置，以将 USB 或 HDMI 信号路由到正确的目的地。
• 在运行期间，TPS65982 还管理 USB 电源路由和控制。

其次，德州仪器 (TI) 的HD3SS460高速、双向、无源 4×6 多路复用器/解复用器在交替模式和 USB 模式之间切换，并适应连接器翻转。

最后的构建模块是一个视频转换器，用于从 DisplayPort 切换到 HDMI 格式。

设计注意事项

除了上面讨论的主要模块外，还有三项特别值得仔细考虑：前两项可保护组件免受电气过压，第三项可提高整体系统性能。

注意防护

由于 USB 端口与外界相连，因此设计必须在用户插入或拔出电缆时提供针对潜在 ESD 冲​​击的保护，但不同的引脚需要不同的 ESD 解决方案。在千兆数据速率下，设计人员必须采取特殊的预防措施来保持信号完整性。任何添加到高速数据通道的额外电路，例如 ESD 保护设备，都必须为线路增加最小的电容；它还必须在整个信号路径中保持阻抗匹配，因为任何不匹配都会导致反射，从而增加抖动并降低信号质量。承载低速数据的引脚，例如 SBU 和 CC，对增加的电容或阻抗不匹配不那么敏感。

八个 TX/RX 引脚在 USB 和 HDMI 模式下承载高速数据通道：用于 USB 操作的 USB 3.1 通道和用于 HDMI AM 操作的三个 TMDS 通道和时钟。

Texas Instruments TPD4E02B04 瞬态电压抑制 (TVS) 器件可保护高速数据引脚。它是一个四通道、双向 ESD 保护二极管阵列，每个通道的 I/O 电容只有 0.25pF，并使用行业标准 USON-10 封装和流通路由来匹配走线阻抗。

低速引脚的 ESD 保护包含在另一个器件中，接下来将讨论。

防止短路到 V BUS

USB Type-C连接器的引脚间距仅为0.5mm。与早期的 A 型连接器相比，这增加了引脚对引脚短路的可能性。与 V BUS引脚相邻的引脚（SBU 和 CC）尤其处于危险之中，尤其是当 USB/HDMI 端口支持完整的 USB PD 规范时，因为它允许 V BUS引脚承载高达 22V 的电压。这种持续的电压不仅会在发生短路时出现在相邻引脚上，而且还可能在对 V BUS 热插拔短路时产生高达 44V 的振铃电压。

Texas Instruments的TPD8S300 USB 端口保护器（图 7）可针对 CC 和 SBU 引脚上的 VBUS 短路事件提供过压保护，并针对电压振铃提供保护。尽管这些引脚和其他引脚对附加电容的敏感性不如前面讨论的高速引脚，但它们仍然需要 ESD 保护。TPD8S300 保护 SBU 和 CC 引脚，并为两个 USB2.0 D+/D- 对提供额外的 ESD 保护。

图 7： TPD8S300 框图显示了用于保护 SBU 和 CC 引脚免受 VBUS 短路事件的串联 FET 和控制电路，以及四个额外的 ESD 保护通道。（来源：德州仪器）

补偿信号衰减

添加组件以防止 ESD 和 V BUS短路会对高速 HDMI 或 USB 信号产生影响：尽管设计人员尽了最大努力，但信号质量在通过电路板传播时不可避免地会受到影响。IC 引脚寄生效应、PCB 走线和过孔都会在信号到达输出引脚之前降低信号质量。

在 Type-C 连接器之前的信号链中加入转接驱动器是一种经济高效的解决方案，可在高数据速率下保持良好的信号质量。转接驱动器可提升信号输出并包括线性均衡以补偿通道损耗。在 USB Type-C 系统中，当与低质量或极长电缆一起使用时，它可以帮助通过合规性测试并提高设备互操作性。

Texas Instruments 的TUSB1046 将交替模式多路复用器和转接驱动器组合到单个设备中。该部件包含一个线性转接驱动器，可以支持每个 Alt Mode 通道高达 8.1Gbps 的数据速率，对于 HDMI 1.4 的 3.4Gbps 来说绰绰有余。尽管 TUSB1046 最初是为 DisplayPort 使用而设计的，但它与协议无关。图 8显示了重新用于三个 HDMI TMDS 通道和 TMDS 时钟的 DisplayPort 四通道设置。

图 8：为 HDMI AM 应用配置的 TUSB1046 转接开关：该器件还可以在正常模式下支持 USB 3.1 SuperSpeed+。（来源：德州仪器）

未来的趋势

USB Type-C 是流行标准的最新版本，正在成为笔记本电脑和智能手机等消费设备中高速数据通信的标准。利用 USB 的交替模式功能，HDMI 是最新的高速数据标准，发布了定义其在 USB Type-C 环境中使用的规范。设计人员可以期待看到其他流行的视频标准加入 DisplayPort、Thunderbolt、MHL 和 HDMI，加入交替模式的潮流。

由于 HDMI 是一个如此流行的标准，预计很快就会看到专用于 HDMI 的交替模式芯片组出现。然而，无论特定的电路模块如何，本文中讨论的许多问题都是基本工程问题，任何具有类似性能的系统都必须解决这些问题。

审核编辑：符乾江