2019年04月11日 | 技术文章—遵循统一标准：USB Type-C增加HDMI

2019-04-11 来源：电子创新网

HDMI 可选模式（Alt Mode）规范是全新的，因此专门为这类应用而设计的芯片仍然还在开发过程中，不过很快就可以使用了，此外我们还可以采用HDMI转换器。图6显示的是同时支持USB、HDMI可选模式以及全USB PD规范的USB Type-C接口的完整结构。

图6：USB Type-C/HDMI接口内部结构

两款器件是这样设计的基础：第一个是TI的TPS65982 USB Type-C接口以及PD控制器，用于执行多种操作需求：

● 检测USB Type-C线缆的插入以及插头的方向

● 协商功率传输等级，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

● 配置多路复用器的可选模式，将USB或HDMI信号正常传输

● 在操作运行过程中TPS65982还管理USB的功率使用

第二个是TI的HD3SS460高速双向无源的4X6多路复用器，可以在可选模式和USB模式之间进行切换，同时支持连接器接头的翻转。

最后一个组件是视频转换器，实现DisplayPort与HDMI格式的转换。

设计注意事项

除了上面讨论的主要模块外，还有三项需要特别仔细考虑的：前两个是两款保护组件防止受到电磁脉冲的影响，第三个是帮助提升整个系统的性能。

注意保护方面的设计

由于USB接口是暴露在外面的，所以当用户插入和拔出线缆时必须能够提供防止潜在ESD（静电释放）破坏的发生，但是不同的管脚可能需要不同的ESD解决方案，在千兆数据传输速率下，设计者必须采取特殊的预防措施来保持信号的完整性，任何添加到高速数据通道的额外电路，比如ESD保护电路，必须要增加电容保护，此外还必须在整个信号回路中保持阻抗匹配，因为如何不匹配可能会导致信号抖动进而降低信号质量。数据传输速率低的管脚，比如SBU和CC，对于需要增加的电容或阻抗则并不是那么的明显。

八个TX/RX管脚在USB模式和HDMI模式下传输高速数据:USB 3.1通道用于USB操作，三个TMDS通道以及时钟用户HDMI可选模式下的操作。

TI推出的TPD4E02B04瞬态电压抑制（TVS）器件用于保护高速数据管脚，它是一款四通道、双向ESD保护的二极管阵列，每个通道还设计了仅0.25pF的I/O电容，采用行业标准的USON-10封装，通道信号流向来匹配跟踪电容。

低速管脚的ESD保护需要采用其他器件，我们下次在讨论。

防止VBUS发生短路

USB Type-C连接器的管脚间距通常只有0.5mm，这与之前Type-A接口相比增加了管脚发生短路的风险，与VBUS管脚相邻的管脚比如SBU和CC就容易发生这类问题，尤其是如果USB/HDMI接口支持完全的USB PD规范这类风险就更高了，因为这种情况下VBUS管脚的电压可达到22V。这种持续性的电压不仅可以短时间内出现在相邻管脚上，在进行热插拔的过程中甚至可以产生高达44V的瞬态电压。

TI推出的TPD8S300 USB端口保护器（图7）提供了针对CC和SBU管脚与VBUS发生短路的过电压保护机制，以及针对电压抖动的保护。虽然这些管脚不像前面讨论的高速管脚对增加的电容那么敏感，但是它们同样需要ESD保护，TPD8S300可以保护SBU和CC管脚，并为两个USB 2.0 D+/D-管脚提供额外的ESD保护。

图7：TPD8S300内部结构显示了SBU和CC管脚不受VBUS短路问题的影响，增加了四个额外的ESD保护通道（来源：TI）

信号衰减补偿

增加组件来防止ESD和VBUS短路问题会对高速HDMI或USB信号有一些影响：尽管设计人员尽了最大努力，但是实际使用时信号的质量不可避免的会受到影响，IC管脚寄生、PCB衰减等因素都会影响信号到达输出管脚时的质量。

要想使得Type-C接口在传输高速数据时保证良好的信号质量还需要在信号链路中增加重驱动模块，这样才算是成本有效的解决方案。重启动模块会提升信号输出，包括线性均衡来补偿通道信号的衰减。对于采用USB Type-C接口的应用，当使用低质量或超长线缆时，它还可以帮助通过兼容性测试来提高设备间的互操作性。

TI推出的TUSB1046集成了可选模式多路复用器和可重驱动，其中的线性可重驱动支持Alt Mode模式下每个通道高达8.1Gbps的数据传输速率，足以满足HDMI 1.4规范的3.4Gbps的需求。尽管TUSB1046最初是为DisplayPort应用而设计的，但是它与协议无关，图8显示的是DisplayPort四通道设置，这种配置可以适配三个HDMI TMDS通道和TMDS时钟。

图8：TUSB1046配置切换实现HDMI可选模式应用：这部分还支持正常模式下的USB 3.1 SuperSpeed+标准（来源：TI）

未来的趋势

USB Type-C最新修订的版本应用广泛，正在成为消费电子设备（比如笔记本电脑、智能手机）高速数据通信的标准，利用USB Type-C的可选模式，HDMI是最新的高速数据标准，它制定的规范定了在USB Type-C应用中如何高效的使用，设计人员期待其他流行的视频标准的出现，加入到DisplayPort、Thunderbolt、MHL和HDMI等接口中来，不断更新替代就的接口协议。

由于HDMI是非常流行的一项标准，预计支持HDMI专用可选模式的器件很快就会面市，不管具体的电路设计是怎样的，本文讨论的许多问题都是任何类型系统都面临且必须解决的基本工程问题。

USB Type-C HDMI

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