Категория：информация
Разъем USB Type-C может стать единственным портом передачи данных для многих ноутбуков и смартфонов в будущем, но эти устройства, работающие только с USB, все равно должны будут подключаться к устройствам без USB, таким как мониторы и телевизоры. Переключение между USB и другими высокоскоростными форматами в одном разъеме ставит перед разработчиками сложные задачи, включая переключение функций контактов, обеспечение защиты от внешних переходных процессов, таких как ESD, и сохранение качества сигнала. Стандарт USB Type-C отвечает этим требованиям, определяя метод работы Alt Mode, который динамически изменяет функции контактов, позволяя использовать протоколы данных, отличные от USB. протоколы данных.
В этом документе рассматриваются различные стандарты, позволяющие разъемам USB Type-C передавать поток HDMI и других форматов, не относящихся к USB, а также приводятся основные конструктивные соображения для добавления функции альтернативного режима HDMI в интерфейс USB Type-C.
Форум HDMI управляет работой альтернативного режима для сред USB Type-C. Последний стандарт USB, выпущенный в конце 2016 года, состоит из трех частей:
Спецификация разъема USB Type-C вносит ряд существенных изменений в привычные версии Type-A и Type-B. Для случайного наблюдателя выделяются две особенности:
Размером 8,3 мм x 2,5 мм, Type-C гораздо меньше разъемов USB Type-A и -B, но содержит 24 контакта, по сравнению с четырьмя в предыдущих версиях.
Разъемы Type-C являются реверсивными и работают в любой ориентации. По этой причине расположение контактов разъема симметрично: независимо от того, какой ряд находится сверху, все сигналы находятся в одинаковом относительном положении.
Спецификация USB Type-C позволяет использовать режимы связи с традиционными системами USB 2.0 через контакты D+/D- и VBUS/GND. В распиновку также включены контакты для двух других новых функций, определенных в спецификации, включая альтернативные режимы. На рисунке 1 показано отображение стандартного и альтернативного режимов для разъемов Type-C.
Рисунок 1: Распиновка разъема USB Type-C с отображением альтернативного режима. (Источник: Texas Instruments)
Спецификация USB Type 3.1 обновляет электрические характеристики USB, увеличивая скорость передачи данных до 10 Гбит/с (в спецификации она называется SuperSpeed+). Для этого требуется две дифференциальные пары TX и RX, предназначенные для высокоскоростной передачи данных. Спецификация также увеличивает базовую мощность до 5 В при токе 150 мА.
Спецификация USB Power Delivery (USB PD) определяет альтернативный режим работы, а также увеличивает доступную мощность до 100 Вт и значительно расширяет диапазон доступных разработчикам вариантов подачи питания. При использовании активного кабеля USB Type-C USB PD добавляет двунаправленный поток энергии между двумя устройствами; поток энергии может быть даже изменен на противоположный в режиме реального времени благодаря каналу связи, передаваемому через контакт Type-C Configuration Channel (CC).
Хотя эти три спецификации разделены, USB-системы с поддержкой HDMI должны поддерживать спецификации Type-C и USB PD. Кроме того, каждый переназначенный контакт должен поддерживать скорость передачи данных, соответствующую характеристикам HDMI 1.4.
HDMI 1.4 имеет шесть каналов передачи данных, работающих на четырех разных скоростях:
HDMI Ethernet and Audio Return Channel (HEAC): высокоскоростная двунаправленная передача данных, поддерживающая Ethernet 100Base-TX (100 Мбит/с). HEAC включает компонент потокового аудио, соответствующий стандарту IEC 60958-1.
TMDS (Transition Minimised Differential Signaling): три дифференциальных канала для высокоскоростной передачи видео и данных. Максимальная пропускная способность HDMI 1.4 составляет 10,2 Гбит/с или 3,4 Гб на канал.
DDC (Display Data Channel): канал связи на основе стандартного протокола I2C со стандартной скоростью 100 кбит/с; позволяет устройству-источнику распознавать поддерживаемые форматы аудио/видео.
CEC (Consumer Electronics Control): позволяет пользователю управлять до 15 низкоскоростными каналами совместимых устройств. Канал соответствует стандарту CENELEC EN 50157-1.
Стандартный разъем HDMI Type-A показан на рисунке 2; на рисунке 3 показаны новые определения контактов для разъема USB Type-C в альтернативном режиме HDMI. В этой реализации три пары TMDS и их тактовые сигналы отображаются на восемь контактов USB TX/RX. Два вывода SBU теперь передают канал HEAC, а вывод CC - низкоскоростной сигнал CEC. Обратите внимание, что пары D+/D- не затрагиваются этим преобразованием, поэтому канал данных USB 2.0 по-прежнему может работать параллельно с HDMI.
Рисунок 2: Разъем HDMI Type A имеет 19 контактов, включая три высокоскоростных канала передачи данных в виде экранированной витой пары.
Рисунок 3: Схема расположения контактов HDMI в альтернативном режиме USB Type-C (источник изображения: HDMI.org)
Спецификация USB PD определяет последовательность событий, необходимых для перехода в режим ожидания. Когда пользователь подключает активный кабель Type-C между двумя портами с поддержкой USB PD, по линии CC происходит ряд переговоров (рис. 4). В ходе переговоров определяется, будет ли использоваться USB или альтернативный режим и какой стандарт альтернативного режима применяется; определенный набор сообщений, определяемых производителем (VDM), идентифицирует используемый стандарт.
Рисунок 4. Когда порт с поддержкой USB PD впервые распознает присутствие другого порта USB PD, происходит согласование для определения протокола питания и формата данных, которые будут использоваться. (Изображение предоставлено: Texas Instruments)
Хотя для работы HDMI это не требуется, последовательность согласования также включает другие функции USB PD, такие как требуемый уровень мощности и направление потока мощности. После того как последовательность инициализации установит, что HDMI является желаемым протоколом, оба порта переназначат свои выводы в соответствии с требованиями, и начнется работа HDMI Alt Mold.
Какие аппаратные компоненты необходимы для добавления HDMI в порт USB Type-C? На рисунке 5 показана блок-схема порта USB PD с выделенными компонентами альтернативного режима. Обратите внимание, что даже если в приложении не указан уровень мощности USB PD, согласие на альтернативный режим требует согласования по линии CC, поэтому USB PD PHY и PD Manager все равно должны быть включены:
Устройство физического уровня альтернативного режима (PHY) получает видеоинформацию от графического процессора высокого класса (GPU) и кодирует ее на три дифференциальные линии данных TMDS.
Мультиплексор альтернативного режима (MUX) позволяет переключаться между реализациями HDMI AM и USB. Для приложений HDMI он подключает сигналы HDMI к соответствующим контактам разъема Type-C; для приложений USB 3.1 он подключает сигналы RX/TX и меняет их местами в зависимости от ориентации кабеля.
Рисунок 5: Запасной режим через USB Type-C требует двух дополнительных модулей, показанных зеленым цветом. (Изображение предоставлено: Texas Instruments)
Спецификация HDMI Alt Mode является новой, поэтому чипсеты, разработанные специально для этого приложения, все еще находятся в стадии разработки. Однако детали DisplayPort Alt Mode легко доступны и могут использоваться с добавлением преобразователя формата HDMI. На рисунке 6 показана блок-схема порта USB Type-C с поддержкой USB, HDMI Alt Mode и полной спецификации USB PD.
Рисунок 6: Блок-схема порта USB Type-C/HDMI
В основе конструкции лежат два устройства: первое - автономный контроллер USB Type-C и PD от Texas Instruments TPS65982, выполняющий сразу несколько задач:
Он определяет вставку кабеля USB Type-C и ориентацию его штекера.
Он согласовывает функцию питания и передает информацию через I2C контролирующему микроконтроллеру, который определяет режим работы.
Здесь настраиваются параметры Alt Mode для мультиплексора, чтобы направить сигналы USB или HDMI в нужное место.
Во время работы TPS65982 также управляет маршрутизацией и контролем питания USB.
Во-вторых, высокоскоростной двунаправленный пассивный мультиплексор/демультиплексор 4×6 компании Texas Instruments (TI) HD3SS460 переключается между альтернативным и USB-режимами и адаптируется к флип-флопам разъема.
Последний блок - видеоконвертер для перехода из формата DisplayPort в HDMI.
Помимо основных модулей, о которых шла речь выше, три модуля заслуживают пристального внимания: первые два защищают компоненты от перенапряжения, а третий повышает общую производительность системы.
Поскольку порты USB подключены к внешнему миру, конструкция должна обеспечивать защиту от потенциальных электростатических разрядов, когда пользователь подключает или отключает кабель, но для разных выводов требуются разные решения для защиты от электростатических разрядов. При гигабитных скоростях передачи данных разработчики должны принимать особые меры предосторожности для сохранения целостности сигнала. Любые дополнительные схемы, добавляемые в высокоскоростной тракт передачи данных, такие как устройства защиты от электростатического разряда, должны вносить минимальную емкость в линию; они также должны поддерживать согласование импеданса на всем пути передачи сигнала, поскольку любое несоответствие может привести к отражениям, которые могут увеличить джиттер и ухудшить качество сигнала. Контакты, передающие низкоскоростные данные, такие как SBU и CC, менее чувствительны к дополнительной емкости или несоответствию импеданса.
Восемь выводов TX/RX передают высокоскоростные каналы данных в режимах USB и HDMI: канал USB 3.1 для работы с USB и три канала TMDS и часы для работы с HDMI AM.
Устройство подавления переходных напряжений (TVS) Texas Instruments TPD4E02B04 обеспечивает защиту высокоскоростных выводов данных. Это четырехканальная двунаправленная диодная матрица ESD-защиты с емкостью ввода/вывода всего 0,25 пФ на канал, использующая стандартный для отрасли корпус USON-10 и сквозную маршрутизацию для согласования импеданса.
Защита от электростатического разряда для низкоскоростных выводов предусмотрена в другом устройстве, о котором пойдет речь далее.
Расстояние между контактами разъема USB Type-C составляет всего 0,5 мм, что увеличивает вероятность замыкания контактов по сравнению с более ранними разъемами Type-A. Особому риску подвергаются контакты, примыкающие к контакту V BUS (SBU и CC), особенно если порт USB/HDMI поддерживает полную спецификацию USB PD, которая позволяет передавать на контакт V BUS напряжение до 22 В. Это постоянное напряжение может не только появиться на соседних выводах в случае короткого замыкания, но и создать напряжение звонка до 44 В в случае короткого замыкания вывода V BUS при горячем подключении.
Устройство защиты USB-порта TPD8S300 компании Texas Instruments (рис. 7) обеспечивает защиту от перенапряжения при коротком замыкании VBUS на выводах CC и SBU и защиту от звона напряжения. Хотя эти и другие выводы не так чувствительны к дополнительной емкости, как высокоскоростные выводы, о которых говорилось ранее, они все равно требуют защиты от электростатического разряда. TPD8S300 защищает выводы SBU и CC и обеспечивает дополнительную защиту от электростатического разряда для двух пар USB2.0 D+/D-.
Рисунок 7: На блок-схеме TPD8S300 показаны последовательные ТЭЗы и схемы управления, используемые для защиты выводов SBU и CC от короткого замыкания VBUS, а также четыре дополнительных канала защиты от электростатического разряда. (Источник: Texas Instruments)
Добавление компонентов для защиты от электростатических разрядов и замыканий V BUS может повлиять на высокоскоростные сигналы HDMI или USB: несмотря на все усилия разработчиков, качество сигнала неизбежно ухудшается при прохождении через плату. Паразитные эффекты выводов ИС, выравнивание печатной платы и сквозные отверстия могут ухудшить качество сигнала еще до того, как он достигнет выходных выводов.
Включение драйвера адаптера в цепочку передачи сигнала перед разъемом Type-C - это экономичное решение для поддержания хорошего качества сигнала при высокой скорости передачи данных. Драйвер адаптера усиливает выходной сигнал и включает линейную эквализацию для компенсации потерь в канале. В системах USB Type-C он может помочь пройти тесты на соответствие и улучшить совместимость устройств при использовании низкокачественных или очень длинных кабелей.
TUSB1046 от Texas Instruments объединяет мультиплексор альтернативного режима и драйвер адаптера в одном устройстве. В состав устройства входит линейный драйвер адаптера, который может поддерживать скорость передачи данных до 8,1 Гбит/с на канал Alt Mode, что более чем достаточно для 3,4 Гбит/с HDMI 1.4. Хотя TUSB1046 изначально был разработан для использования с DisplayPort, он не зависит от протокола. На рисунке 8 показана четырехканальная система DisplayPort, перепрофилированная для трех каналов HDMI TMDS и тактового генератора TMDS.
Рисунок 8: Переключатель-адаптер TUSB1046, сконфигурированный для приложений HDMI AM: устройство также может поддерживать USB 3.1 SuperSpeed+ в обычном режиме. (Источник: Texas Instruments)
USB Type-C - это новейшая версия популярного стандарта, который становится стандартом для высокоскоростной передачи данных в потребительских устройствах, таких как ноутбуки и смартфоны. Используя преимущества альтернативного режима USB, HDMI стал последним стандартом высокоскоростной передачи данных, выпустившим спецификацию, определяющую его использование в среде USB Type-C. Дизайнеры могут ожидать, что к DisplayPort, Thunderbolt, MHL и HDMI в альтернативном режиме присоединятся и другие популярные видеостандарты.
Поскольку HDMI является столь популярным стандартом, ожидается, что в скором времени появятся чипсеты с альтернативным режимом работы, предназначенные для HDMI. Однако независимо от конкретного модуля многие вопросы, рассмотренные в этой статье, являются базовыми инженерными проблемами, которые должны быть решены в любой системе с аналогичной производительностью.
Без согласия или разрешения нашего сайта, никто не может в какой-либо форме полностью или частично копировать, перепечатывать, распространять, цитировать, изменять, транслировать или публиковать содержание, а также не должно быть других действий, которые нарушают авторские права нашего сайта.
