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Der USB-Typ-C-Stecker hat das Potenzial, in Zukunft der einzige Datenanschluss für viele Laptops und Smartphones zu werden, aber diese reinen USB-Geräte müssen weiterhin mit Nicht-USB-Geräten wie Monitoren und Fernsehern verbunden werden. Das Umschalten zwischen USB und anderen Hochgeschwindigkeitsformaten in einem einzigen Steckverbinder stellt die Entwickler vor Herausforderungen, einschließlich des Umschaltens zwischen Pin-Funktionen, des Schutzes vor externen Transienten wie ESD und der Aufrechterhaltung der Signalqualität. Der USB-Typ-C-Standard erfüllt diese Anforderungen durch die Definition einer Alt-Mode-Betriebsmethode, die die Funktion der Pins dynamisch ändert, um die Verwendung von Nicht-USB-Datenprotokollen zu ermöglichen. Datenprotokolle.
Dieses Dokument untersucht die verschiedenen Standards, die es USB Type-C-Anschlüssen ermöglichen, HDMI und andere Nicht-USB-Formate zu streamen, und liefert wichtige Designüberlegungen für das Hinzufügen von HDMI Alternate Mode-Funktionalität zur USB Type-C-Schnittstelle.
Das HDMI-Forum verwaltet den alternativen Modus für USB Typ-C-Umgebungen. Der neueste USB-Standard, der Ende 2016 veröffentlicht wurde, besteht aus drei Teilen:
Die Spezifikation des USB-Typ-C-Steckers bringt einige wesentliche Änderungen gegenüber den bekannten Typ-A- und Typ-B-Versionen. Für den zufälligen Beobachter stechen zwei Merkmale hervor:
Mit einer Größe von 8,3 mm x 2,5 mm ist der Typ-C viel kleiner als die USB-Typ-A- und -B-Anschlüsse, enthält aber 24 Stifte im Vergleich zu vier bei früheren Versionen.
Typ-C-Stecker sind reversibel und funktionieren in jeder Ausrichtung. Aus diesem Grund ist die Anordnung der Steckerstifte symmetrisch; egal, welche Reihe oben liegt, alle Signale befinden sich in der gleichen relativen Position.
Die USB-Typ-C-Spezifikation ermöglicht Kommunikationsmodi mit älteren USB-2.0-Systemen über die D+/D- und VBUS/GND-Pins. Die Pinbelegung umfasst auch Pins für zwei weitere neue Funktionen, die in der Spezifikation definiert sind, einschließlich alternativer Modi. Abbildung 1 zeigt die Standard- und Alternativmodus-Zuordnung für Typ-C-Stecker.
Abbildung 1: Pinbelegung des USB-Typ-C-Steckers mit Abbildung des alternativen Modus. (Quelle: Texas Instruments)
Die USB-Spezifikation Typ 3.1 aktualisiert die elektrische Leistung von USB durch Erhöhung der Datenrate auf 10 Gbps (in der Spezifikation SuperSpeed+ genannt). Dies erfordert zwei differentielle TX- und RX-Paare für Hochgeschwindigkeitsdaten. Die Spezifikation erhöht auch die Basisstromversorgung auf 5 V bei 150 mA.
Die USB-Power-Delivery-Spezifikation (USB PD) definiert den alternativen Betrieb, erhöht aber auch die verfügbare Leistung auf 100 W und erweitert die Palette der Stromversorgungsoptionen, die Designern zur Verfügung stehen, erheblich. Bei Verwendung mit einem aktiven USB-Typ-C-Kabel sorgt USB PD für einen bidirektionalen Stromfluss zwischen den beiden Geräten. Der Stromfluss kann aufgrund des Kommunikationskanals am Typ-C-Configuration Channel (CC)-Pin sogar in Echtzeit umgekehrt werden.
Obwohl die drei Spezifikationen getrennt sind, müssen HDMI-fähige USB-Systeme sowohl Typ-C- als auch USB-PD-Spezifikationen unterstützen. Darüber hinaus muss jeder neu zugeordnete Pin die Datenrate der entsprechenden HDMI 1.4-Funktion unterstützen.
HDMI 1.4 hat sechs Datenkanäle, die mit vier verschiedenen Geschwindigkeiten laufen:
HDMI Ethernet and Audio Return Channel (HEAC): Eine bidirektionale Hochgeschwindigkeits-Datenkommunikation, die 100Base-TX (100Mbps) Ethernet unterstützt. HEAC beinhaltet eine Streaming-Audio-Komponente, die IEC 60958-1 entspricht.
TMDS (Transition Minimised Differential Signaling): Drei Differenzialkanäle für Hochgeschwindigkeits-Video- und Datenübertragung. HDMI 1.4 hat einen maximalen Durchsatz von 10,2 Gbps oder 3,4 Gb pro Kanal.
DDC (Display Data Channel): Ein auf dem Industriestandard I2C-Protokoll basierender Kommunikationskanal mit einer Standardrate von 100kbps; er ermöglicht es dem Quellgerät, unterstützte Audio-/Videoformate zu erkennen.
CEC (Consumer Electronics Control): Ermöglicht dem Benutzer die Steuerung von bis zu 15 Low-Speed-Kanälen von kompatiblen Geräten. Der Kanal entspricht der CENELEC EN 50157-1.
Der Standard-HDMI-Typ-A-Anschluss ist in Abbildung 2 dargestellt; Abbildung 3 zeigt die neuen Pin-Definitionen für den USB-Typ-C-Anschluss im HDMI-Alternativmodus. Die Implementierung ordnet drei TMDS-Paare und ihre Taktsignale acht USB TX/RX-Pins zu. Die beiden SBU-Pins tragen nun den HEAC-Kanal und der CC-Pin trägt das CEC-Signal mit niedriger Geschwindigkeit. Beachten Sie, dass die D+/D--Paare von dieser Umwandlung nicht betroffen sind, sodass der USB 2.0-Datenkanal weiterhin parallel zu HDMI laufen kann.
Abbildung 2: Der HDMI-Stecker Typ A hat 19 Stifte, einschließlich der drei Hochgeschwindigkeits-Datenkanäle als abgeschirmtes verdrilltes Paar.
Abbildung 3: Pin-Belegung für HDMI im USB Typ-C Standby-Modus (Bildquelle: HDMI.org)
Die USB-PD-Spezifikation definiert die Abfolge von Ereignissen, die erforderlich sind, um in den Standby-Modus zu wechseln. Wenn ein Benutzer ein aktives Typ-C-Kabel zwischen zwei USB-PD-fähigen Anschlüssen anschließt, findet eine Reihe von Verhandlungen über die CC-Leitung statt (Abbildung 4). Bei der Aushandlung wird festgelegt, ob der USB- oder der alternative Modus verwendet werden soll und welcher Standard für den alternativen Modus gilt; ein spezifischer Satz von herstellerdefinierten Nachrichten (VDM) identifiziert den zu verwendenden Standard.
Abbildung 4: Wenn ein USB-PD-fähiger Anschluss zum ersten Mal das Vorhandensein eines anderen USB-PD-Anschlusses erkennt, findet eine Verhandlung statt, um das Stromversorgungsprotokoll und das zu verwendende Datenformat zu bestimmen. (Bildnachweis: Texas Instruments)
Obwohl sie für den HDMI-Betrieb nicht erforderlich ist, umfasst die Verhandlungssequenz auch andere USB-PD-Merkmale wie den erforderlichen Strompegel und die Richtung des Stromflusses. Sobald die Initialisierungssequenz HDMI als das gewünschte Protokoll festlegt, ordnen beide Ports ihre Pins wie erforderlich neu zu und der HDMI Alt Mold-Betrieb beginnt.
Welche Hardwarekomponenten sind erforderlich, um HDMI zu einem USB Typ-C-Anschluss hinzuzufügen? Abbildung 5 zeigt ein Blockdiagramm des USB-PD-Ports, in dem die Komponenten für den alternativen Modus hervorgehoben sind. Beachten Sie, dass selbst wenn die Anwendung keinen USB-PD-Leistungspegel angibt, die Zustimmung zum alternativen Modus eine Verhandlung über die CC-Leitung erfordert, sodass der USB-PD-PHY und der PD-Manager immer noch enthalten sein müssen:
Das Alternate Mode Physical Layer Device (PHY) übernimmt die Videoinformationen von der High-End-Grafikverarbeitungseinheit (GPU) und kodiert sie auf die drei TMDS-Differenzdatenleitungen.
Der Alternate Mode Multiplexer (MUX) ermöglicht das Umschalten zwischen HDMI AM- und USB-Implementierungen. Bei HDMI-Anwendungen verbindet er die HDMI-Signale mit den richtigen Pins des Typ-C-Steckers; bei USB 3.1-Anwendungen verbindet er die RX/TX-Signale und vertauscht sie je nach Kabelausrichtung.
Abbildung 5: Der Ersatzmodus über USB Typ-C erfordert zwei zusätzliche Module, die grün dargestellt sind. (Bildnachweis: Texas Instruments)
Die HDMI-Alt-Mode-Spezifikation ist neu, daher befinden sich Chipsätze, die speziell für diese Anwendung entwickelt wurden, noch in der Entwicklung. DisplayPort-Alt-Mode-Teile sind jedoch bereits verfügbar und können mit einem zusätzlichen HDMI-Formatwandler verwendet werden. Abbildung 6 zeigt ein Blockdiagramm eines USB Typ-C-Anschlusses, der USB, HDMI Alt Mode und die vollständige USB PD-Spezifikation unterstützt.
Abbildung 6: Blockdiagramm USB Typ-C/HDMI-Anschluss
Zwei Geräte bilden die Grundlage des Designs: Der TPS65982 Standalone-USB-Type-C- und PD-Controller von Texas Instruments erfüllt mehrere Aufgaben:
Sie erkennt das Einstecken des USB-Typ-C-Kabels und dessen Steckerausrichtung.
Er handelt die Stromversorgungsfunktion aus und gibt die Informationen über I2C an den überwachenden Mikrocontroller weiter, der die Betriebsart bestimmt.
Sie konfiguriert die Alt-Modus-Einstellungen für den Multiplexer, um USB- oder HDMI-Signale an das richtige Ziel zu leiten.
Während des Betriebs verwaltet der TPS65982 auch die USB-Stromverteilung und -steuerung.
Zweitens schaltet der passive bidirektionale 4×6-Hochgeschwindigkeits-Multiplexer/Demultiplexer HD3SS460 von Texas Instruments (TI) zwischen dem alternativen und dem USB-Modus um und passt sich an die Flipflops der Steckverbinder an.
Der letzte Baustein ist ein Videokonverter für den Wechsel vom DisplayPort- zum HDMI-Format.
Neben den oben erwähnten Hauptmodulen verdienen drei weitere besondere Aufmerksamkeit: Die ersten beiden schützen die Komponenten vor elektrischer Überspannung, und das dritte verbessert die Gesamtleistung des Systems.
Da USB-Anschlüsse mit der Außenwelt verbunden sind, muss das Design einen Schutz gegen potenzielle ESD-Schocks bieten, wenn der Benutzer das Kabel einsteckt oder abzieht, aber unterschiedliche Pins erfordern unterschiedliche ESD-Lösungen. Bei Gigabit-Datenraten müssen die Entwickler besondere Vorkehrungen treffen, um die Signalintegrität zu gewährleisten. Jede zusätzliche Schaltung, die dem Hochgeschwindigkeitsdatenpfad hinzugefügt wird, wie z. B. ESD-Schutzvorrichtungen, muss der Leitung eine minimale Kapazität hinzufügen; außerdem muss die Impedanzanpassung im gesamten Signalpfad beibehalten werden, da jede Fehlanpassung zu Reflexionen führen kann, die Jitter erhöhen und die Signalqualität beeinträchtigen können. Pins, die Daten mit niedriger Geschwindigkeit übertragen, wie SBUs und CCs, reagieren weniger empfindlich auf zusätzliche Kapazitäten oder Impedanzfehlanpassungen.
Acht TX/RX-Pins übertragen Hochgeschwindigkeitsdatenkanäle im USB- und HDMI-Modus: einen USB 3.1-Kanal für den USB-Betrieb und drei TMDS-Kanäle und Takte für den HDMI AM-Betrieb.
Der Texas Instruments TPD4E02B04-Baustein zur Unterdrückung transienter Spannungen (TVS) schützt Hochgeschwindigkeits-Datenpins. Es handelt sich um ein vierkanaliges, bidirektionales ESD-Schutzdioden-Array mit einer E/A-Kapazität von nur 0,25pF pro Kanal. Es verwendet das Industriestandard-Gehäuse USON-10 und Flow-Through-Routing, um die Ausrichtungsimpedanz anzupassen.
Der ESD-Schutz für die Low-Speed-Pins ist in einem anderen Baustein enthalten, der als nächstes behandelt wird.
Der USB-Typ-C-Stecker hat einen Pin-Abstand von nur 0,5 mm, was die Wahrscheinlichkeit von Pin-zu-Pin-Kurzschlüssen im Vergleich zu früheren Typ-A-Steckern erhöht. Die an den V-BUS-Stift angrenzenden Stifte (SBU und CC) sind besonders gefährdet, vor allem, wenn der USB/HDMI-Anschluss die vollständige USB-PD-Spezifikation unterstützt, die es dem V-BUS-Stift erlaubt, bis zu 22 V zu führen. Diese Dauerspannung kann nicht nur im Falle eines Kurzschlusses an den benachbarten Pins auftreten, sondern auch bei einem Hot-Plug-Kurzschluss zum V BUS Klingelspannungen von bis zu 44 V erzeugen.
Der TPD8S300 USB-Port-Protector von Texas Instruments (Abbildung 7) bietet einen Überspannungsschutz gegen VBUS-Kurzschlussereignisse an den CC- und SBU-Pins sowie einen Schutz gegen Voltage Ringing. Obwohl diese und andere Pins nicht so empfindlich auf zusätzliche Kapazitäten reagieren wie die zuvor besprochenen Hochgeschwindigkeits-Pins, benötigen sie dennoch ESD-Schutz. Der TPD8S300 schützt die SBU- und CC-Pins und bietet zusätzlichen ESD-Schutz für die beiden USB2.0-D+/D--Paare.
Abbildung 7: Das Blockdiagramm des TPD8S300 zeigt die Serien-FETs und Steuerschaltungen zum Schutz der SBU- und CC-Pins vor einem VBUS-Kurzschluss sowie vier zusätzliche Kanäle für den ESD-Schutz. (Quelle: Texas Instruments)
Das Hinzufügen von Komponenten zum Schutz vor ESD- und V-BUS-Kurzschlüssen kann sich auf Hochgeschwindigkeits-HDMI- oder -USB-Signale auswirken: Trotz aller Bemühungen der Entwickler leidet die Signalqualität unweigerlich auf dem Weg durch die Leiterplatte. IC-Pin-Parasitics, PCB-Ausrichtungen und Durchgangslöcher können die Signalqualität verschlechtern, bevor das Signal die Ausgangspins erreicht.
Die Einbindung eines Adaptertreibers in die Signalkette vor dem Typ-C-Stecker ist eine kostengünstige Lösung, um eine gute Signalqualität bei hohen Datenraten zu erhalten. Der Adaptertreiber verstärkt die Signalausgabe und enthält einen linearen Ausgleich, um Kanalverluste zu kompensieren. In USB-Typ-C-Systemen kann er helfen, Konformitätstests zu bestehen und die Interoperabilität von Geräten zu verbessern, wenn sie mit minderwertigen oder sehr langen Kabeln verwendet werden.
Der TUSB1046 von Texas Instruments vereint einen Alternate-Mode-Multiplexer und einen Adaptertreiber in einem einzigen Baustein. Das Bauteil enthält einen linearen Adaptertreiber, der Datenraten von bis zu 8,1 Gbps pro Alt Mode-Kanal unterstützt, was mehr als genug für die 3,4 Gbps von HDMI 1.4 ist. Obwohl der TUSB1046 ursprünglich für die Verwendung mit DisplayPort entwickelt wurde, ist er protokollunabhängig. Abbildung 8 zeigt ein DisplayPort-Setup mit vier Kanälen, das für die drei HDMI-TMDS-Kanäle und den TMDS-Takt umgewidmet wurde.
Abbildung 8: TUSB1046-Adapterschalter, konfiguriert für HDMI-AM-Anwendungen: Das Gerät unterstützt auch USB 3.1 SuperSpeed+ im normalen Modus. (Quelle: Texas Instruments)
USB Typ-C ist die neueste Version des beliebten Standards, der sich zum Standard für die Hochgeschwindigkeits-Datenkommunikation in Verbrauchergeräten wie Laptops und Smartphones entwickelt. HDMI nutzt die Vorteile der USB-Alternativmodus-Fähigkeit und ist der jüngste Hochgeschwindigkeitsdatenstandard, der eine Spezifikation für die Verwendung in einer USB-Typ-C-Umgebung veröffentlicht. Designer können davon ausgehen, dass sich andere beliebte Videostandards dem Trend zu DisplayPort, Thunderbolt, MHL und HDMI anschließen werden.
Da HDMI ein so weit verbreiteter Standard ist, ist zu erwarten, dass bald auch Chipsätze mit alternativem Modus speziell für HDMI auf den Markt kommen. Unabhängig vom jeweiligen Schaltungsmodul handelt es sich bei vielen der in diesem Artikel erörterten Probleme jedoch um grundlegende technische Probleme, die bei jedem System mit ähnlicher Leistung behoben werden müssen.
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