Phân loại：Thông tin sản phẩm
Đầu nối USB TypeC có tiềm năng trở thành cổng dữ liệu duy nhất cho nhiều máy tính xách tay và điện thoại thông minh trong tương lai, nhưng các thiết bị chỉ USB này vẫn cần phải kết nối với các thiết bị không phải USB như màn hình và TV. Chuyển đổi giữa USB và các định dạng tốc độ cao khác trong một đầu nối duy nhất đặt ra những thách thức cho các nhà thiết kế, bao gồm chuyển đổi giữa các chức năng pin, cung cấp bảo vệ chống lại các trạng thái thoáng qua bên ngoài như ESD và duy trì chất lượng tín hiệu. Tiêu chuẩn USB TypeC đáp ứng những yêu cầu này bằng cách xác định phương pháp vận hành chế độ thay thế (Alt Mode), thay đổi động chức năng của các chân để cho phép sử dụng các giao thức dữ liệu không phải USB.
Bài viết này khám phá các tiêu chuẩn khác nhau cho phép kết nối USB TypeC phát trực tuyến HDMI và các định dạng không phải USB khác và cung cấp những lưu ý thiết kế quan trọng để thêm chức năng chế độ thay thế HDMI vào giao diện USB TypeC.
Diễn đàn HDMI quản lý hoạt động chế độ thay thế của môi trường USB TypeC. Tiêu chuẩn USB mới nhất được phát hành vào cuối năm 2016 bao gồm ba phần:
Đặc điểm kỹ thuật kết nối USB TypeC có một số thay đổi đáng kể so với các phiên bản TypeA và TypeB quen thuộc. Đối với người quan sát bình thường, hai đặc điểm nổi bật:
Với kích thước 8,3mm x 2,5mm, TypeC nhỏ hơn đáng kể so với các đầu nối USB TypeA và -B, nhưng chứa 24 chân, so với bốn trong các phiên bản trước đó.
Đầu nối TypeC có thể đảo ngược và hoạt động theo bất kỳ hướng nào. Vì lý do này, sắp xếp chân đầu nối là đối xứng; Bất kể dòng nào ở trên cùng, tất cả các tín hiệu đều ở cùng một vị trí tương đối.
Đặc tả USB TypeC có thể giao tiếp với các hệ thống USB 2.0 truyền thống thông qua các chân D +/D và VBUS/GND. Pinout cũng bao gồm các chân cho các tính năng mới (bao gồm chế độ thay thế) được xác định trong hai đặc tả khác. Hình 1 cho thấy ánh xạ chế độ tiêu chuẩn và thay thế của kết nối TypeC.
Hình 1: Sắp xếp chân đầu nối USB TypeC hiển thị ánh xạ chế độ thay thế. (Nguồn: Texas Instruments)
Đặc tả USB Type 3.1 cập nhật hiệu suất điện của USB, tăng tốc độ dữ liệu lên 10Gbps (được gọi là SuperSpeed+ trong đặc tả). Điều này đòi hỏi hai cặp TX và RX khác biệt dành riêng cho dữ liệu tốc độ cao. Đặc điểm kỹ thuật cũng tăng khả năng cung cấp điện cơ bản lên 5V ở 150mA.
Đặc điểm kỹ thuật cung cấp năng lượng USB (USB PD) xác định hoạt động chế độ thay thế, nhưng nó cũng tăng công suất có sẵn lên 100W và mở rộng đáng kể phạm vi các tùy chọn cung cấp năng lượng có sẵn cho các nhà thiết kế. Khi được sử dụng với cáp USB TypeC hoạt động, USB PD sẽ tăng dòng điện hai chiều giữa hai thiết bị; Dòng điện thậm chí có thể được đảo ngược trong thời gian thực nhờ các kênh truyền thông được mang trên các chân kênh cấu hình TypeC (CC).
Mặc dù ba thông số kỹ thuật này là riêng biệt, một hệ thống USB hỗ trợ HDMI phải hỗ trợ cả hai thông số kỹ thuật TypeC và USB PD. Ngoài ra, mỗi pin được lập bản đồ lại phải hỗ trợ tốc độ dữ liệu của tính năng HDMI 1.4 tương ứng của nó.
HDMI 1.4 có sáu kênh dữ liệu và chạy ở bốn tốc độ khác nhau:
HDMI Ethernet và Audio Backhaul Channel (HEAC): Giao tiếp dữ liệu hai chiều tốc độ cao hỗ trợ Ethernet 100Base-TX (100Mbps). HEAC bao gồm một thành phần âm thanh phát trực tuyến tuân thủ IEC 60958-1.
TMDS (Transition Minimized Differential Signaling): Ba kênh vi sai để truyền dữ liệu và video tốc độ cao. Thông lượng tối đa của HDMI 1.4 là 10,2 Gbps hoặc 3,4 Gb trên mỗi kênh.
DDC (Display Data Channel): Kênh truyền thông dựa trên giao thức I2C tiêu chuẩn ngành, tốc độ tiêu chuẩn là 100kbps; Nó cho phép thiết bị nguồn nhận dạng các định dạng âm thanh/video được hỗ trợ.
CEC (Consumer Electronics Control): Cho phép người dùng điều khiển các kênh tốc độ thấp lên đến 15 thiết bị tương thích. Kênh này phù hợp với CENELEC EN 50157-1
Đầu nối HDMI TypeA tiêu chuẩn được hiển thị trong Hình 2; Hình 3 cho thấy định nghĩa pin mới của đầu nối USB TypeC trong chế độ alternate HDMI. Triển khai này ánh xạ ba cặp TMDS và tín hiệu đồng hồ của chúng đến tám chân USB TX/RX. Hai chân SBU hiện mang kênh HEAC và chân CC mang tín hiệu CEC tốc độ thấp. Xin lưu ý rằng cặp D +/D không bị ảnh hưởng bởi chuyển đổi này, vì vậy các kênh dữ liệu USB 2.0 vẫn có thể chạy song song với HDMI.
Hình 2: Đầu nối HDMI Loại A có 19 chân và bao gồm ba kênh dữ liệu tốc độ cao như một cặp xoắn được che chắn
Hình 3: Ánh xạ chân của HDMI ở chế độ dự phòng USB TypeC (Ảnh: HDMI.org)
Đặc tả USB PD xác định chuỗi các sự kiện cần thiết để vào chế độ dự phòng. Khi người dùng kết nối cáp TypeC hoạt động giữa hai cổng USB PD kích hoạt, một loạt các cuộc đàm phán được thực hiện qua đường CC (Hình 4). Đàm phán để xác định xem nên sử dụng chế độ USB hay chế độ dự phòng và tiêu chuẩn chế độ thay thế nào sẽ áp dụng; Một tập hợp các thông báo do nhà cung cấp xác định cụ thể (VDM) xác định các tiêu chuẩn sẽ được sử dụng.
Hình 4: Khi một cổng hỗ trợ USB PD đầu tiên nhận ra sự hiện diện của một cổng USB PD khác, đàm phán được thực hiện để xác định giao thức cung cấp điện và định dạng dữ liệu sẽ được sử dụng. (Nguồn ảnh: Texas Instruments)
Mặc dù hoạt động HDMI không cần thiết, chuỗi đàm phán cũng bao gồm các tính năng USB PD khác, chẳng hạn như mức công suất cần thiết và hướng của luồng công suất. Khi trình tự khởi tạo thiết lập HDMI như giao thức mong muốn, cả hai cổng sẽ lập lại các pin của họ khi cần thiết và hoạt động HDMI Alt Mold bắt đầu.
Những thành phần phần cứng nào cần thiết để thêm HDMI vào cổng USB TypeC? Hình 5 cho thấy sơ đồ khối của cổng USB PD, trong đó các thành phần chế độ dự phòng được làm nổi bật. Xin lưu ý rằng ngay cả khi ứng dụng không chỉ định mức công suất USB PD, việc đồng ý chế độ dự phòng yêu cầu thương lượng qua đường CC, vì vậy USB PD PHY và PD Manager vẫn phải được bao gồm:
Thiết bị lớp vật lý chế độ thay thế (PHY) lấy thông tin video từ đơn vị xử lý đồ họa cao cấp (GPU) và mã hóa nó vào ba đường dữ liệu vi sai TMDS.
Alternate Mode Multiplexer (MUX) cho phép chuyển đổi giữa các triển khai HDMI AM và USB. Đối với các ứng dụng HDMI, nó kết nối tín hiệu HDMI với các chân kết nối TypeC chính xác; Đối với các ứng dụng USB 3.1, nó kết nối các tín hiệu RX/TX và trao đổi chúng dựa trên hướng cáp.
Hình 5: Thực hiện chế độ dự phòng qua USB TypeC yêu cầu hai mô-đun bổ sung, được hiển thị bằng màu xanh lá cây. (Nguồn ảnh: Texas Instruments)
Đặc điểm kỹ thuật HDMI Alt Mode là mới, vì vậy một chipset được thiết kế đặc biệt cho ứng dụng này vẫn đang được phát triển. Tuy nhiên, các phần DisplayPort Alt Mode có sẵn dễ dàng và có thể được sử dụng với một bộ chuyển đổi định dạng HDMI được thêm vào. Hình 6 cho thấy sơ đồ khối của cổng USB TypeC hỗ trợ USB, chế độ thay thế HDMI và đặc tả USB PD đầy đủ.
Hình 6: Sơ đồ khối cổng USB TypeC/HDMI
Hai thiết bị tạo thành nền tảng của thiết kế: Đầu tiên, bộ điều khiển USB TypeC và PD độc lập TPS65982 của Texas Instruments thực hiện nhiều nhiệm vụ:
Nó phát hiện việc cắm cáp USB TypeC và hướng phích cắm của nó.
Nó đàm phán các chức năng cung cấp điện và truyền thông tin thông qua I2C đến một vi điều khiển giám sát xác định chế độ hoạt động.
Nó định cấu hình cài đặt Alt Mode cho bộ ghép kênh để định tuyến tín hiệu USB hoặc HDMI đến đích chính xác.
Trong quá trình hoạt động, TPS65982 cũng quản lý định tuyến và điều khiển nguồn USB.
Thứ hai, HD3SS460 tốc độ cao, hai chiều, thụ động 4 × 6 Multiplexer/Demultiplexer của Texas Instruments chuyển đổi giữa chế độ thay thế và chế độ USB và thích ứng với việc lật đầu nối.
Khối xây dựng cuối cùng là một bộ chuyển đổi video để chuyển đổi từ DisplayPort sang định dạng HDMI.
Ngoài các mô-đun chính được thảo luận ở trên, ba mô-đun khác đặc biệt đáng được xem xét cẩn thận: hai mô-đun đầu tiên bảo vệ các thành phần khỏi quá áp điện và mô-đun thứ ba cải thiện hiệu suất tổng thể của hệ thống.
Vì cổng USB được kết nối với thế giới bên ngoài, thiết kế phải cung cấp sự bảo vệ chống lại các cú sốc ESD tiềm ẩn khi người dùng cắm hoặc rút cáp, nhưng các chân khác nhau đòi hỏi các giải pháp ESD khác nhau. Ở tốc độ dữ liệu gigabit, các nhà thiết kế phải thực hiện các biện pháp phòng ngừa đặc biệt để duy trì tính toàn vẹn của tín hiệu. Bất kỳ mạch bổ sung nào được thêm vào kênh dữ liệu tốc độ cao, chẳng hạn như thiết bị bảo vệ ESD, phải bổ sung điện dung tối thiểu cho đường dây; Nó cũng phải duy trì sự phù hợp trở kháng trong toàn bộ đường dẫn tín hiệu, vì bất kỳ sự không phù hợp nào sẽ gây ra phản xạ, làm tăng jitter và làm giảm chất lượng tín hiệu. Các chân mang dữ liệu tốc độ thấp, chẳng hạn như SBU và CC, ít nhạy cảm hơn với sự không khớp điện dung hoặc trở kháng tăng lên.
Tám chân TX/RX mang các kênh dữ liệu tốc độ cao ở chế độ USB và HDMI: kênh USB 3.1 cho hoạt động USB và ba kênh TMDS và đồng hồ cho hoạt động HDMI AM.
Thiết bị triệt tiêu điện áp thoáng qua (TVS) TPD4E02B04 của Texas Instruments bảo vệ các chân dữ liệu tốc độ cao. Nó là một mảng diode bảo vệ ESD hai chiều bốn kênh với điện dung I/O chỉ 0,25 pF cho mỗi kênh và sử dụng gói USON-10 tiêu chuẩn công nghiệp và định tuyến dòng để phù hợp với trở kháng đường dây.
Bảo vệ ESD cho các chân tốc độ thấp được bao gồm trong một thiết bị khác, sẽ được thảo luận tiếp theo.
Khoảng cách chân của đầu nối USB TypeC chỉ là 0,5mm. Điều này làm tăng khả năng ngắn mạch từ chân đến chân so với các đầu nối loại A trước đó. Các chân liền kề với chân V BUS (SBU và CC) đặc biệt có nguy cơ, đặc biệt là khi cổng USB/HDMI hỗ trợ thông số kỹ thuật USB PD đầy đủ, vì nó cho phép chân V BUS mang điện áp lên đến 22V. Điện áp liên tục này sẽ không chỉ xuất hiện trên các chân liền kề khi ngắn mạch xảy ra, mà còn có thể tạo ra điện áp chuông lên đến 44V khi ngắn mạch với V BUS hotplug.
Bộ bảo vệ cổng USB TPD8S300 của Texas Instruments (Hình 7) cung cấp bảo vệ quá điện áp chống lại các sự kiện ngắn mạch VBUS trên các chân CC và SBU và bảo vệ chống lại chuông điện áp. Mặc dù các chân này và các chân khác ít nhạy cảm với điện dung bổ sung hơn các chân tốc độ cao được thảo luận trước đó, chúng vẫn yêu cầu bảo vệ ESD. TPD8S300 bảo vệ các chân SBU và CC và cung cấp bảo vệ ESD bổ sung cho hai cặp USB2.0 D +/D.
Hình 7: Sơ đồ khối TPD8S300 cho thấy các FET nối tiếp và mạch điều khiển được sử dụng để bảo vệ các chân SBU và CC khỏi các sự kiện ngắn mạch VBUS, cùng với bốn kênh bảo vệ ESD bổ sung. (Nguồn: Texas Instruments)
Thêm các thành phần để ngăn ngừa ngắn mạch ESD và V BUS có thể ảnh hưởng đến tín hiệu HDMI hoặc USB tốc độ cao: Mặc dù nỗ lực tốt nhất của các nhà thiết kế, chất lượng tín hiệu chắc chắn bị ảnh hưởng khi nó truyền qua bảng mạch. Ký sinh chân IC, dây PCB và vias đều làm giảm chất lượng tín hiệu trước khi nó đến các chân đầu ra.
Thêm trình điều khiển chuyển đổi vào chuỗi tín hiệu trước đầu nối TypeC là một giải pháp tiết kiệm chi phí để duy trì chất lượng tín hiệu tốt ở tốc độ dữ liệu cao. Trình điều khiển chuyển đổi tăng đầu ra tín hiệu và bao gồm cân bằng tuyến tính để bù tổn thất kênh. Trong các hệ thống USB TypeC, nó có thể giúp vượt qua các bài kiểm tra tuân thủ và cải thiện khả năng tương tác của thiết bị khi được sử dụng với các cáp chất lượng thấp hoặc cực kỳ dài.
TUSB1046 của Texas Instruments kết hợp bộ ghép kênh chế độ thay thế và trình điều khiển chuyển đổi thành một thiết bị duy nhất. Phần này chứa một ổ đĩa chuyển tuyến tính có thể hỗ trợ tốc độ dữ liệu lên đến 8,1 Gbps cho mỗi kênh Alt Mode, quá đủ cho 3,4 Gbps của HDMI 1.4. Mặc dù ban đầu được thiết kế để sử dụng DisplayPort, TUSB1046 không liên quan đến giao thức. Hình 8 cho thấy cài đặt bốn kênh DisplayPort được tái sử dụng cho ba kênh HDMI TMDS và đồng hồ TMDS.
Hình 8: Công tắc chuyển đổi TUSB1046 được cấu hình cho các ứng dụng HDMI AM: Thiết bị này cũng có thể hỗ trợ USB 3.1 SuperSpeed + ở chế độ bình thường. (Nguồn: Texas Instruments)
USB TypeC là phiên bản mới nhất của tiêu chuẩn phổ biến và đang trở thành tiêu chuẩn cho truyền thông dữ liệu tốc độ cao trong các thiết bị tiêu dùng như máy tính xách tay và điện thoại thông minh. Tận dụng chức năng chế độ thay thế của USB, HDMI là tiêu chuẩn dữ liệu tốc độ cao mới nhất, đã phát hành các đặc điểm kỹ thuật xác định việc sử dụng trong môi trường USB TypeC. Các nhà thiết kế có thể mong đợi thấy các tiêu chuẩn video phổ biến khác tham gia vào DisplayPort, Thunderbolt, MHL và HDMI để tham gia vào làn sóng chế độ thay thế.
Vì HDMI là một tiêu chuẩn phổ biến như vậy, dự kiến sẽ sớm thấy các chipset chế độ thay thế dành riêng cho HDMI xuất hiện. Tuy nhiên, bất kể mô-đun mạch cụ thể nào, nhiều vấn đề được thảo luận trong bài viết này là những vấn đề kỹ thuật cơ bản và phải được giải quyết bởi bất kỳ hệ thống nào có hiệu suất tương tự.
“Không có sự đồng ý hoặc ủy quyền từ trang web này, không ai được sao chép, in lại, phân phối, trích dẫn, thay đổi, phát sóng hoặc công bố nội dung toàn bộ hoặc một phần dưới bất kỳ hình thức nào, cũng không được có bất kỳ vi phạm bản quyền nào của trang web này.
