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乐投官网USB接口规范介绍!USB Type-C连接器规范

投资者关系 2020-10-08 23:56

  USB Type-C接口有可能成为未来很多笔记本电脑、智能手机的唯一数据接口,但是这些仅有USB接口的设备仍必须那些没有USB接口的设备进行交互,比如显示器、电视机等。但单个连接器中实现USB和其他高速接口格式的转换给设计人员提出了挑战,包括管脚功能间的切换,提供电磁保护比如ESD,维护信号质量。USB Type-C通过定义备选模式(Alt Mode)来满足这些需求,这种方法能够动态的更改管脚的功能,从而支持非USB的数据传输协议。

  本文探讨了各种不同标准,这些标准能够让USB Type-C连接到HDMI或其他非USB形式的数据接口,并提供了将HDMI可选模式增加到USB Type-C接口时需要考虑的关键问题。

  HDMI管理着USB Type-C可选模式的操作,最新版本的USB标准是2016年底发布的,总共包括以下三部分:

  USB Type-C连接器规格介绍了相比Type-A和Type-B版本一些重大的改变,就我们一般人看来有两个特点很突出:

   Type-C接口是可逆的,不分正反方向的,为了实现这一点,Type-C接口管脚的是对称的,无论那一面在上,所有的信号管脚都处在相同的相对位置上。

  USB Tyep-C接口可以通过切换D+/D-和VBUS/GND管脚排列与USB2.0系统实现交互,这些管脚还涉及到规范中定义的新功能(包括可选模式)的管脚,图1展示的是Type-C连接器标准和可选模式管脚映射。

  USB Type 3.1规范更新了USB的电气性能,将数据传输速率提升到了10Gbps(规范中称为SuperSpedd+),这需要两个专用的高数数据差分管脚TX和RX,该规范还将基准功率提升到了5V150mA。

  USB功率传输规范(USB PD)定义了可选模式,同时也将可传输功率提升到100W,并极大的扩展了设计人员可用的功率传输范围,当与USB Type-C线缆一起使用时,USB PD增加了两个设备间的双向功率,由于Type-C配置通道(CC)管脚上的通信通道,这个双向功率甚至可以实时发生逆转。

  尽管这三个规范是相互独立的,但支持HDMI协议的USB系统必须能够同时支持Type-C和USB PD规范。此外每个重新映射的管脚必须能够支持其对应的HDMI 1.4协议的数据传输速率。

   TMDS(转换最小化差分信号):三个差分数据通道,用于高速视频和数据传输,HDMI 1.4的最大吞吐量为10.2Gbps或者单通道3.4Gbps

   DDC(显示数据通道):它是基于行业标准I2C协议的通信通道,标准速率为100Kbps,数据源设备能够识别支持的音频/视频格式

   CEC(消费端电子控制):属于低速数据通道,允许用户控制多大15个兼容的设备,此数据通道符合CENELEC EN 50157-1规范

  标准的HDMI Type-A接口如图2所示,图3显示的是支持HDMI可选模式USB Type-C接口新的管脚定义。它包括的三个TMDS差分通道和时钟信号映射到八个USB TX/RX管脚上,两个SBU管脚属于HEAC通道,CC管脚承担低速CEC信号,注意D+/D-管脚并不会受此影响,因此USB2.0数据通道可以和HDMI并行工作。

  图2:HDMI Type-A接口一共有19个管脚,包括三个高速数据通道而且有屏蔽双绞线设计(来源:

  USB PD规范定义了进入可选模式所需的操作顺序,当用户在两个USB PD端口之间连接一个活动的Type-C线缆时,会在CC通道上发生一系列的判断操作(如图4),协商确定采用USB模式还是可选模式以及采用哪一种可选模式标准,一组特定的供应商定义的消息(VDMs)会用来确定要使用的标准。

  图4:当USB PD端口首次识别出另一个USB PD端口的存在时就会进行协商,从而确定采用哪种传输协议以及数据格式(来源:TI)

  虽然有些是HDMI操作不需要的,但是协商判断还包括其他USB PD功能,比如确定所需的功率大小以及传输方向。一旦初始化完成确定了HDMI所需的协议要求,两个端口根据需要对管脚进行映射,HDMI可选模式才开始正常工作。

  USB Type-C接口要想集成HDMI还需要增加哪些硬件组件呢?图5显示的是USB PD接口的结构图,其中可选模式必备组件已经高亮显示了,注意尽管没有指定USB PD接口的功率级别,启用可选模式也需要同CC信号进行协商,因此USB PD PHY和PD管理仍然是必须包含的:

   可选模式物理层设备(PHY)从高级图形处理单元(GPU)中获取视频信息,并将其进行编码通过三个TMDs差分数据线

   可选模式复用器(MUX)支持在HDMI AM和USB两种模式之间进行切换,对于HDMI应用它连接HDMI信号给符合标准的Type-C接口管脚,对于USB 3.1应用它连接的是RX/TX信号,并根据数据传输方向进行切换。

  图5:在USB Type-C接口上集成可选模式需要额外两个模块,如图中绿色显示(来源:Ti)

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