新版USB Type-C新规范出炉,可直接支持HDMI输出

2019-07-19来源: 电子创新网关键字:USB  Type-C

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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。

 

 

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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。

 

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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)

 

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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。

 

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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。

 

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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。

 

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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。

 


关键字:USB  Type-C

编辑:muyan 引用地址:http://news.eeworld.com.cn/IoT/ic468561.html
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