新版USB Type-C新規(guī)范出爐

 USB Type-C接口有可能成為未來多數(shù)筆記本電腦、智能手機的唯一數(shù)據(jù)接口，但這些僅支持USB接口的設(shè)備仍必須與那些非USB接口的設(shè)備進行交互，比如顯示器、電視機等。因此，設(shè)計人員需要考慮如何在單個連接器中實現(xiàn)USB和其他高速接口的轉(zhuǎn)換，其中涉及到切換引腳功能、提供諸如ESD的外部瞬變保護以及維護信號質(zhì)量等問題。USB Type-C標準通過定義備用模式(Alt Mode)來滿足這些需求，這種方法能夠動態(tài)地更改引腳的功能，從而支持非USB的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。

本文對各類標準進行了介紹，有了這些標準，USB Type-C才能連接到HDMI或其他非USB形式的數(shù)據(jù)接口。本文中還包含將HDMI備用模式增加到USB Type-C接口時需要考慮的主要問題。

USB規(guī)范介紹

HDMI Forum于2016年底發(fā)布了USB Type-C備用模式規(guī)范，此最新版USB標準共包括以下三個部分：

USB Type-C接口規(guī)范

USB Type-C接口規(guī)范在我們所熟知的Type-A和Type-B規(guī)范基礎(chǔ)上進行了大幅度的修改。對于普通用戶來說，有兩點改動需要注意：

Type-C 接口尺寸為8.3mmx2.5mm，較之USB Type-A和Type-B小了很多，但卻包含24個引腳，之前的版本只有4個引腳。

Type-C接口支持正反逆插，這是因為Type-C接口采用了對稱結(jié)構(gòu)，無論哪一面在上，所有的信號引腳都處在相同的相對位置上。

USB Type-C還可以通過D+/D-和VBUS/GND引腳與傳統(tǒng)的USB 2.0系統(tǒng)進行交互。其引腳布局還包括其他兩個規(guī)范中定義的新功能引腳(包括備用模式)。圖1顯示的是Type-C接口標準和備用模式引腳映射。

圖1：顯示備用模式映射的USB Type-C引腳布局

USB Type 3.1規(guī)范

USB Type 3.1規(guī)范更新了USB的電氣性能，規(guī)定數(shù)據(jù)傳輸速率可達到10Gbps(規(guī)范中稱為SuperSpeed+)。此類接口需要兩個專用的高速數(shù)據(jù)差分引腳對TX和RX，而且供電標準提升至5V/150mA。

USB供電規(guī)范

USB供電規(guī)范(USB PD)規(guī)定了備用模式下的工作方式，能夠支持最高100W的充電功率，并極大地提高了供電能力。當與USB Type-C線纜一起使用時，USB PD允許兩個設(shè)備進行雙向充電。根據(jù)Type-C配置通道(CC)引腳上的通信，甚至還可以隨時改變充電方向。

盡管這三個規(guī)范是相互獨立的，但支持HDMI的USB系統(tǒng)必須同時符合Type-C和USB PD規(guī)范。此外，每個重新映射的引腳必須能夠支持其對應(yīng)的HDMI 1.4協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸速率。

HDMI 1.4數(shù)據(jù)傳輸速率

HDMI 1.4共有六個以四種不同數(shù)據(jù)速率運行的數(shù)據(jù)通道：

HDMI以太網(wǎng)和音頻回傳通道(HEAC)：支持100Base-TX(100Mbps)以太網(wǎng)的高速雙向數(shù)據(jù)通信通道。HEAC包括符合IEC 60958-1標準的流媒體音頻組件。

TMDS(最小化傳輸差分信號)：三個用于高速視頻和數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟罘滞ǖ?。HDMI 1.4的最大數(shù)據(jù)吞吐率為10.2Gbps或單通道3.4Gbps。

DDC(顯示數(shù)據(jù)通道)：基于行業(yè)標準I2C協(xié)議的通信通道，標準速率為100 Kbps，能夠讓源設(shè)備識別支持的音頻/視頻格式。

CEC(消費端電子控制)：為低速數(shù)據(jù)通道，允許用戶控制多達15個兼容設(shè)備。此數(shù)據(jù)通道符合CENELEC EN 50157-1規(guī)范。

HDMI引腳映射

標準HDMI Type-A接口如圖2所示。圖3顯示的是支持HDMI備用模式的全新USB Type-C接口引腳定義，它將三個TMDS引腳對及其時鐘信號映射到八個USB TX/RX引腳上，兩個SBU引腳連接HEAC通道，CC引腳則用于傳輸?shù)退貱EC信號。另外還需注意，D+/D-引腳對并不會受此轉(zhuǎn)換影響，因此USB 2.0數(shù)據(jù)通道可以和HDMI和平共處。

圖2：HDMI Type-A接口共有19個引腳，其中有三個高速數(shù)據(jù)通道用作屏蔽雙絞線

圖3：USB Type-C備用模式接口中HDMI模式下的引腳映射

初始化HDMI備用模式

USB PD規(guī)范定義了進入備用模式所需的操作順序。當用戶在兩個USB PD端口之間連接一個主動Type-C線纜時，會在CC通道上執(zhí)行一系列協(xié)商(圖4)，來確定是采用USB模式還是備用模式，以及應(yīng)用哪種備用模式標準，并使用一組特定的供應(yīng)商定義消息(VDM)來確定要使用的標準。

圖4：當USB PD端口首次識別出另一個USB PD端口的存在時就會進行協(xié)商，從而確定采用哪種傳輸協(xié)議及數(shù)據(jù)格式

該協(xié)商過程中還涉及其他USB PD功能，比如確定所需的功率級別以及電力傳輸方向，但HDMI操作并不需要這些功能。一旦初始化序列確定了HDMI為所需協(xié)議，這兩個端口就會根據(jù)需要重新映射引腳，進入HDMI備用模式。

HDMI備用模式架構(gòu)

若要USB Type-C接口支持HDMI，需要增加哪些硬件組件呢?圖5顯示的是USB PD接口的結(jié)構(gòu)圖，并標出了備用模式的必備組件。請注意，即使應(yīng)用沒有指定USB PD接口的功率級別，啟用備用模式也需要通過CC線路進行協(xié)商，因此必須包含USB PD PHY和PD管理器：

備用模式物理層設(shè)備(PHY)接收高端圖形處理單元(GPU)的視頻信息，并對其進行編碼以通過三個TMDS差分數(shù)據(jù)線路傳輸。

備用模式多路復(fù)用器(MUX)支持在HDMI備用模式和USB兩種模式之間進行切換。對于HDMI應(yīng)用，它將HDMI信號傳輸給相應(yīng)的Type-C接口引腳;對于USB 3.1應(yīng)用，它連接的是RX/TX信號，并根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸方向進行切換。

圖5：通過USB Type-C接口實現(xiàn)備用模式需要兩個額外的模塊，如圖中綠色部分所示

實際實現(xiàn)方法

HDMI 備用模式規(guī)范是全新的，因此專門為這類應(yīng)用而設(shè)計的芯片組仍然還處于開發(fā)階段。不過目前已經(jīng)推出了DisplayPort備用模式元件，并可與HDMI轉(zhuǎn)換器配合使用。圖6顯示的是同時支持USB、HDMI備用模式以及完整USB PD規(guī)范的USB Type-C端口框圖。

圖6：USB Type-C/HDMI端口框圖

此設(shè)計由下面兩款基礎(chǔ)元件構(gòu)成：

第一款是Texas Instruments的TPS65982獨立式USB Type-C和PD控制器，用于執(zhí)行以下多項任務(wù)：

檢測USB Type-C線纜的插入狀態(tài)與插頭方向

協(xié)商供電特性，并通過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)用器的備用模式設(shè)置，將USB或HDMI信號傳送給相應(yīng)的目標設(shè)備

在運行期間，TPS65982還會對USB供電路徑進行管理和控制

第二款是Texas Instruments的HD3SS460是一款4x6通道的高速雙向無源多路復(fù)用器/解復(fù)用器開關(guān)，可以在備用模式和USB模式間切換，同時支持接口翻轉(zhuǎn)。

此外，還有一個視頻轉(zhuǎn)換器，用于將DisplayPort信號轉(zhuǎn)換為HDMI格式。