USB Type-C/HDMI接口內(nèi)部結(jié)構(gòu)

實(shí)際的實(shí)現(xiàn)方法

HDMI 可選模式（Alt Mode）規(guī)范是全新的，因此專門為這類應(yīng)用而設(shè)計(jì)的芯片仍然還在開發(fā)過(guò)程中，不過(guò)很快就可以使用了，此外我們還可以采用HDMI轉(zhuǎn)換器。圖6顯示的是同時(shí)支持USB、HDMI可選模式以及全USB PD規(guī)范的USB Type-C接口的完整結(jié)構(gòu)。

圖6：USB Type-C/HDMI接口內(nèi)部結(jié)構(gòu)

兩款器件是這樣設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)：第一個(gè)是TI的TPS65982 USB Type-C接口以及PD控制器，用于執(zhí)行多種操作需求：

● 檢測(cè)USB Type-C線纜的插入以及插頭的方向

● 協(xié)商功率傳輸?shù)燃?jí)，通過(guò)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)用器的可選模式，將USB或HDMI信號(hào)正常傳輸

● 在操作運(yùn)行過(guò)程中TPS65982還管理USB的功率使用

第二個(gè)是TI的HD3SS460高速雙向無(wú)源的4X6多路復(fù)用器，可以在可選模式和USB模式之間進(jìn)行切換，同時(shí)支持連接器接頭的翻轉(zhuǎn)。

最后一個(gè)組件是視頻轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)DisplayPort與HDMI格式的轉(zhuǎn)換。

設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

除了上面討論的主要模塊外，還有三項(xiàng)需要特別仔細(xì)考慮的：前兩個(gè)是兩款保護(hù)組件防止受到電磁脈沖的影響，第三個(gè)是幫助提升整個(gè)系統(tǒng)的性能。

注意保護(hù)方面的設(shè)計(jì)

由于USB接口是暴露在外面的，所以當(dāng)用戶插入和拔出線纜時(shí)必須能夠提供防止?jié)撛?a target="_blank">ESD（靜電釋放）破壞的發(fā)生，但是不同的管腳可能需要不同的ESD解決方案，在千兆數(shù)據(jù)傳輸速率下，設(shè)計(jì)者必須采取特殊的預(yù)防措施來(lái)保持信號(hào)的完整性，任何添加到高速數(shù)據(jù)通道的額外電路，比如ESD保護(hù)電路，必須要增加電容保護(hù)，此外還必須在整個(gè)信號(hào)回路中保持阻抗匹配，因?yàn)槿绾尾黄ヅ淇赡軙?huì)導(dǎo)致信號(hào)抖動(dòng)進(jìn)而降低信號(hào)質(zhì)量。數(shù)據(jù)傳輸速率低的管腳，比如SBU和CC，對(duì)于需要增加的電容或阻抗則并不是那么的明顯。

八個(gè)TX/RX管腳在USB模式和HDMI模式下傳輸高速數(shù)據(jù):USB 3.1通道用于USB操作，三個(gè)TMDS通道以及時(shí)鐘用戶HDMI可選模式下的操作。

TI推出的TPD4E02B04瞬態(tài)電壓抑制（TVS）器件用于保護(hù)高速數(shù)據(jù)管腳，它是一款四通道、雙向ESD保護(hù)的二極管陣列，每個(gè)通道還設(shè)計(jì)了僅0.25pF的I/O電容，采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的USON-10封裝，通道信號(hào)流向來(lái)匹配跟蹤電容。

低速管腳的ESD保護(hù)需要采用其他器件，我們下次在討論。

防止VBUS發(fā)生短路

USB Type-C連接器的管腳間距通常只有0.5mm，這與之前Type-A接口相比增加了管腳發(fā)生短路的風(fēng)險(xiǎn)，與VBUS管腳相鄰的管腳比如SBU和CC就容易發(fā)生這類問(wèn)題，尤其是如果USB/HDMI接口支持完全的USB PD規(guī)范這類風(fēng)險(xiǎn)就更高了，因?yàn)檫@種情況下VBUS管腳的電壓可達(dá)到22V。這種持續(xù)性的電壓不僅可以短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)在相鄰管腳上，在進(jìn)行熱插拔的過(guò)程中甚至可以產(chǎn)生高達(dá)44V的瞬態(tài)電壓。

TI推出的TPD8S300USB端口保護(hù)器（圖7）提供了針對(duì)CC和SBU管腳與VBUS發(fā)生短路的過(guò)電壓保護(hù)機(jī)制，以及針對(duì)電壓抖動(dòng)的保護(hù)。雖然這些管腳不像前面討論的高速管腳對(duì)增加的電容那么敏感，但是它們同樣需要ESD保護(hù)，TPD8S300可以保護(hù)SBU和CC管腳，并為兩個(gè)USB 2.0 D+/D-管腳提供額外的ESD保護(hù)。

圖7：TPD8S300內(nèi)部結(jié)構(gòu)顯示了SBU和CC管腳不受VBUS短路問(wèn)題的影響，增加了四個(gè)額外的ESD保護(hù)通道（來(lái)源：TI）

信號(hào)衰減補(bǔ)償

增加組件來(lái)防止ESD和VBUS短路問(wèn)題會(huì)對(duì)高速HDMI或USB信號(hào)有一些影響：盡管設(shè)計(jì)人員盡了最大努力，但是實(shí)際使用時(shí)信號(hào)的質(zhì)量不可避免的會(huì)受到影響，IC管腳寄生、PCB衰減等因素都會(huì)影響信號(hào)到達(dá)輸出管腳時(shí)的質(zhì)量。

要想使得Type-C接口在傳輸高速數(shù)據(jù)時(shí)保證良好的信號(hào)質(zhì)量還需要在信號(hào)鏈路中增加重驅(qū)動(dòng)模塊，這樣才算是成本有效的解決方案。重啟動(dòng)模塊會(huì)提升信號(hào)輸出，包括線性均衡來(lái)補(bǔ)償通道信號(hào)的衰減。對(duì)于采用USB Type-C接口的應(yīng)用，當(dāng)使用低質(zhì)量或超長(zhǎng)線纜時(shí)，它還可以幫助通過(guò)兼容性測(cè)試來(lái)提高設(shè)備間的互操作性。

TI推出的TUSB1046集成了可選模式多路復(fù)用器和可重驅(qū)動(dòng)，其中的線性可重驅(qū)動(dòng)支持Alt Mode模式下每個(gè)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的需求。盡管TUSB1046最初是為DisplayPort應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，但是它與協(xié)議無(wú)關(guān)，圖8顯示的是DisplayPort四通道設(shè)置，這種配置可以適配三個(gè)HDMI TMDS通道和TMDS時(shí)鐘。

圖8：TUSB1046配置切換實(shí)現(xiàn)HDMI可選模式應(yīng)用：這部分還支持正常模式下的USB 3.1 SuperSpeed+標(biāo)準(zhǔn)（來(lái)源：TI）

未來(lái)的趨勢(shì)

USB Type-C最新修訂的版本應(yīng)用廣泛，正在成為消費(fèi)電子設(shè)備（比如筆記本電腦、智能手機(jī)）高速數(shù)據(jù)通信的標(biāo)準(zhǔn)，利用USB Type-C的可選模式，HDMI是最新的高速數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，它制定的規(guī)范定了在USB Type-C應(yīng)用中如何高效的使用，設(shè)計(jì)人員期待其他流行的視頻標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)，加入到DisplayPort、Thunderbolt、MHL和HDMI等接口中來(lái)，不斷更新替代就的接口協(xié)議。

由于HDMI是非常流行的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)計(jì)支持HDMI專用可選模式的器件很快就會(huì)面市，不管具體的電路設(shè)計(jì)是怎樣的，本文討論的許多問(wèn)題都是任何類型系統(tǒng)都面臨且必須解決的基本工程問(wèn)題。