USB Type-C連接器有可能成為未來許多筆記本電腦和智能手機的唯一數據端口，但這些僅支持 USB 的設備仍需與顯示器和電視等非 USB 設備連接。在單個連接器中在 USB 和其他高速格式之間切換給設計人員帶來了挑戰，包括在引腳功能之間切換、提供對 ESD 等外部瞬態的保護以及保持信號質量。USB Type-C 標準通過定義交替模式（Alt Mode）操作方法來滿足這些需求，該方法動態改變引腳的功能以允許使用非 USB 數據協議。

本文探討了使 USB Type-C 連接器能夠流式傳輸 HDMI 和其他非 USB 格式的各種標準，并提供了將 HDMI 交替模式功能添加到 USB Type-C 接口的關鍵設計注意事項。

USB 規范概述

HDMI 論壇管理 USB Type-C 環境的交替模式操作。2016 年底發布的最新 USB 標準包括三個部分：

USB Type-C 連接器規范

USB Type-C 連接器規范對熟悉的 Type-A 和 Type-B 版本進行了一些重大更改。對于不經意的觀察者來說，有兩個特點很突出：

• Type-C 尺寸為 8.3mm x 2.5mm，比 USB Type-A 和 -B 連接器小得多，但包含 24 個引腳，而早期版本只有 4 個。
• Type-C 連接器是可逆的，在任何方向上均能正常工作。為此，連接器引腳排列是對稱的；無論哪一行在頂部，所有信號都處于相同的相對位置。

USB Type-C 規范可以通過 D+/D- 和 VBUS/GND 引腳與傳統 USB 2.0 系統進行通信模式。引腳排列還包括其他兩個規范中定義的新功能（包括交替模式）的引腳。圖 1顯示了 Type-C 連接器的標準和替代模式映射。

圖 1：顯示交替模式映射的 USB Type-C 連接器引腳排列。（來源：德州儀器）

USB 類型 3.1 規范

USB Type 3.1規范更新了USB的電氣性能，將數據速率提高到10Gbps（規范中稱為SuperSpeed+）。這需要兩個專用于高速數據的差分 TX 和 RX 對。該規范還將基線供電能力提升至 150mA 時的 5V。

USB 供電規范

USB 供電規范 (USB PD) 定義了交替模式操作，但它也將可提供的功率提高到 100W，并極大地擴展了設計人員可用的供電選項范圍。當與有源 USB Type-C 電纜一起使用時，USB PD 會在兩個設備之間增加雙向功率流；由于 Type-C 配置通道 (CC) 引腳上承載的通信通道，功率流甚至可以實時反轉。

雖然這三個規范是分開的，但支持 HDMI 的 USB 系統必須同時支持 Type-C 和 USB PD 規范。此外，每個重新映射的引腳都必須支持其對應的 HDMI 1.4 功能的數據速率。

HDMI 1.4 數據速率

HDMI 1.4 有六個數據通道，以四種不同的速度運行：

• HDMI 以太網和音頻回傳通道(HEAC)：一種支持 100Base-TX (100Mbps) 以太網的高速雙向數據通信。HEAC 包括一個符合 IEC 60958-1 的流式音頻組件。
• TMDS (Transition Minimized Differential Signaling)：三個用于高速視頻和數據傳輸的差分通道。HDMI 1.4 的最大吞吐量為每通道 10.2Gbps 或 3.4Gb。
• DDC（Display Data Channel）：基于行業標準I2C協議的通信通道，標準速率為100kbps；它使源設備能夠識別支持的音頻/視頻格式。
• CEC（消費電子控制）：允許用戶控制多達 15 個兼容設備的低速通道。該通道符合 CENELEC EN 50157-1

HDMI 引腳映射

標準 HDMI Type-A 連接器如圖 2所示；圖 3顯示了 HDMI 交替模式下 USB Type-C 連接器的新引腳定義。該實現將三個 TMDS 對及其時鐘信號映射到八個 USB TX/RX 引腳。兩個 SBU 引腳現在承載 HEAC 通道，CC 引腳承載低速 CEC 信號。請注意，D+/D- 對不受此轉換的影響，因此 USB 2.0 數據通道仍可與 HDMI 并行運行。

圖 2： HDMI A 型連接器有 19 個引腳，包括三個高速數據通道作為屏蔽雙絞線（圖片來源：HowStuffWorks.com）

圖 3： USB Type-C 備用模式下 HDMI 的引腳映射（圖片來源：HDMI.org）

初始化 HDMI 交替模式

USB PD 規范定義了進入備用模式所需的事件序列。當用戶在兩個啟用 USB PD 的端口之間連接有源 Type-C 電纜時，會通過 CC 線路進行一系列協商（圖 4 ）。協商確定是使用 USB 還是備用模式，以及適用哪種替代模式標準；一組特定的供應商定義的消息 (VDM) 標識要使用的標準。

圖 4：當支持 USB PD 的端口首先識別出另一個 USB PD 端口的存在時，會進行協商以確定供電協議和要使用的數據格式。（圖片來源：德州儀器）

雖然 HDMI 操作不需要，但協商序列還包括其他 USB PD 功能，例如所需的功率電平和功率流的方向。一旦初始化序列將 HDMI 建立為所需協議，兩個端口都將根據需要重新映射其引腳，HDMI Alt Mold 操作開始。

HDMI 交替模式架構

將 HDMI 添加到 USB Type-C 端口需要哪些硬件組件？圖 5顯示了 USB PD 端口的框圖，其中突出顯示了備用模式組件。請注意，即使應用程序未指定 USB PD 功率級別，同意備用模式也需要通過 CC 線路協商，因此仍必須包含 USB PD PHY 和 PD 管理器：

• 交替模式物理層設備(PHY) 從高端圖形處理單元 (GPU) 獲取視頻信息，并將其編碼到三個 TMDS 差分數據線上。
• 交替模式多路復用器(MUX) 允許在 HDMI AM 和 USB 實現之間切換。對于 HDMI 應用，它將 HDMI 信號連接到正確的 Type-C 連接器引腳；對于 USB 3.1 應用，它連接 RX/TX 信號并根據電纜方向交換它們。

圖 5：通過 USB Type-C 實現備用模式需要兩個額外的模塊，以綠色顯示。（圖片來源：德州儀器）

實際實施

HDMI Alt Mode 規范是新的，因此專門為此應用設計的芯片組仍在開發中。不過，DisplayPort Alt Mode 部件很容易獲得，并且可以在添加 HDMI 格式轉換器的情況下使用。圖 6顯示了支持 USB、HDMI 交替模式和完整 USB PD 規范的 USB Type-C 端口的框圖。

圖 6： USB Type-C/HDMI 端口框圖

兩個器件構成了設計的基礎：首先，德州儀器的TPS65982獨立 USB Type-C 和 PD 控制器執行多項任務：

• 它檢測 USB Type-C 電纜的插入及其插頭方向。
• 它協商供電功能，并通過 I2C 將信息傳遞給確定操作模式的監控微控制器。
• 它為多路復用器配置 Alt Mode 設置，以將 USB 或 HDMI 信號路由到正確的目的地。
• 在運行期間，TPS65982 還管理 USB 電源路由和控制。

其次，德州儀器 (TI) 的HD3SS460高速、雙向、無源 4×6 多路復用器/解復用器在交替模式和 USB 模式之間切換，并適應連接器翻轉。

最后的構建模塊是一個視頻轉換器，用于從 DisplayPort 切換到 HDMI 格式。

設計注意事項

除了上面討論的主要模塊外，還有三項特別值得仔細考慮：前兩項可保護組件免受電氣過壓，第三項可提高整體系統性能。

注意防護

由于 USB 端口與外界相連，因此設計必須在用戶插入或拔出電纜時提供針對潛在 ESD 沖??擊的保護，但不同的引腳需要不同的 ESD 解決方案。在千兆數據速率下，設計人員必須采取特殊的預防措施來保持信號完整性。任何添加到高速數據通道的額外電路，例如 ESD 保護設備，都必須為線路增加最小的電容；它還必須在整個信號路徑中保持阻抗匹配，因為任何不匹配都會導致反射，從而增加抖動并降低信號質量。承載低速數據的引腳，例如 SBU 和 CC，對增加的電容或阻抗不匹配不那么敏感。

八個 TX/RX 引腳在 USB 和 HDMI 模式下承載高速數據通道：用于 USB 操作的 USB 3.1 通道和用于 HDMI AM 操作的三個 TMDS 通道和時鐘。

Texas Instruments TPD4E02B04 瞬態電壓抑制 (TVS) 器件可保護高速數據引腳。它是一個四通道、雙向 ESD 保護二極管陣列，每個通道的 I/O 電容只有 0.25pF，并使用行業標準 USON-10 封裝和流通路由來匹配走線阻抗。

低速引腳的 ESD 保護包含在另一個器件中，接下來將討論。

防止短路到 V BUS

USB Type-C連接器的引腳間距僅為0.5mm。與早期的 A 型連接器相比，這增加了引腳對引腳短路的可能性。與 V BUS引腳相鄰的引腳（SBU 和 CC）尤其處于危險之中，尤其是當 USB/HDMI 端口支持完整的 USB PD 規范時，因為它允許 V BUS引腳承載高達 22V 的電壓。這種持續的電壓不僅會在發生短路時出現在相鄰引腳上，而且還可能在對 V BUS 熱插拔短路時產生高達 44V 的振鈴電壓。

Texas Instruments的TPD8S300 USB 端口保護器（圖 7）可針對 CC 和 SBU 引腳上的 VBUS 短路事件提供過壓保護，并針對電壓振鈴提供保護。盡管這些引腳和其他引腳對附加電容的敏感性不如前面討論的高速引腳，但它們仍然需要 ESD 保護。TPD8S300 保護 SBU 和 CC 引腳，并為兩個 USB2.0 D+/D- 對提供額外的 ESD 保護。

圖 7： TPD8S300 框圖顯示了用于保護 SBU 和 CC 引腳免受 VBUS 短路事件的串聯 FET 和控制電路，以及四個額外的 ESD 保護通道。（來源：德州儀器）

補償信號衰減

添加組件以防止 ESD 和 V BUS短路會對高速 HDMI 或 USB 信號產生影響：盡管設計人員盡了最大努力，但信號質量在通過電路板傳播時不可避免地會受到影響。IC 引腳寄生效應、PCB 走線和過孔都會在信號到達輸出引腳之前降低信號質量。

在 Type-C 連接器之前的信號鏈中加入轉接驅動器是一種經濟高效的解決方案，可在高數據速率下保持良好的信號質量。轉接驅動器可提升信號輸出并包括線性均衡以補償通道損耗。在 USB Type-C 系統中，當與低質量或極長電纜一起使用時，它可以幫助通過合規性測試并提高設備互操作性。

Texas Instruments 的TUSB1046 將交替模式多路復用器和轉接驅動器組合到單個設備中。該部件包含一個線性轉接驅動器，可以支持每個 Alt Mode 通道高達 8.1Gbps 的數據速率，對于 HDMI 1.4 的 3.4Gbps 來說綽綽有余。盡管 TUSB1046 最初是為 DisplayPort 使用而設計的，但它與協議無關。圖 8顯示了重新用于三個 HDMI TMDS 通道和 TMDS 時鐘的 DisplayPort 四通道設置。

圖 8：為 HDMI AM 應用配置的 TUSB1046 轉接開關：該器件還可以在正常模式下支持 USB 3.1 SuperSpeed+。（來源：德州儀器）

未來的趨勢

USB Type-C 是流行標準的最新版本，正在成為筆記本電腦和智能手機等消費設備中高速數據通信的標準。利用 USB 的交替模式功能，HDMI 是最新的高速數據標準，發布了定義其在 USB Type-C 環境中使用的規范。設計人員可以期待看到其他流行的視頻標準加入 DisplayPort、Thunderbolt、MHL 和 HDMI，加入交替模式的潮流。

由于 HDMI 是一個如此流行的標準，預計很快就會看到專用于 HDMI 的交替模式芯片組出現。然而，無論特定的電路模塊如何，本文中討論的許多問題都是基本工程問題，任何具有類似性能的系統都必須解決這些問題。

審核編輯：符乾江