Architektura trybu alternatywnego HDMI

Jakie komponenty sprzętowe są potrzebne, aby dodać obsługę HDMI do portu USB-C? Rys. 5. przedstawia schemat blokowy portu USB PD z zaznaczonymi komponentami wykorzystywanymi w trybie alternatywnym. Warto pamiętać, że nawet jeśli dana aplikacja nie określa poziomów mocy USB PD, akceptacja trybu alternatywnego wciąż wymaga przeprowadzenia negocjacji za pośrednictwem linii CC, zatem potrzebna jest warstwa fizyczna (PHY) USB PD oraz układ zarządzania funkcją PD (manager):

• Układ warstwy fizycznej (PHY) trybu alternatywnego odbiera informacje wideo z wydajnej karty graficznej (GPU) i koduje je na trzech różnicowych liniach danych TMDS.

• Multiplekser (MUX) trybu alternatywnego pozwala na przełączanie między trybem HDMI AM o USB. Podczas stosowania HDMI obsługuje on sygnały HDMI z odpowiednimi pinami złącza typu C. Podczas stosowania USB 3.1 obsługuje sygnały RX/TX i zamienia je ze sobą w zależności od orientacji kabla.

Rys. 5. Implementacja trybu alternatywnego USB typu C wymaga użycia dwóch dodatkowych bloków zaznaczonych na zielono. (źródło: Texas Instruments)

Praktyczna implementacja

Specyfikacja HDMI AM jest nowa, zatem układy zaprojektowane specjalnie z myślą o tym zastosowaniu dopiero powstają. Natomiast elementy AM DisplayPort są już dostępne i mogą być wykorzystane jako dodatek do konwertera formatu HDMI. Rys. 6. przedstawia schemat blokowy portu USB typu C, który obsługuje USB, tryb alternatywny HDMI i kompletną specyfikację USB PD.

Rys. 6. Schemat blokowy portu USB-C/HDMI

Podstawą przedstawionego projektu są dwa układy: Po pierwsze, samodzielny kontroler USB-C oraz PD firmy Texas Instruments. Realizuje on wiele zadań:

• Wykrywa podłączenie kabla USB-C i orientację wtyczki.

• Negocjuje funkcje transmisji mocy i przesyła te informacje za pośrednictwem interfejsu I2C do mikrokontrolera sterującego systemem, który określa tryb pracy.

• Konfiguruje ustawienia AM dla multipleksera, który kieruje sygnały USB lub HDMI do odpowiednich połączeń.

• Podczas właściwej pracy TPS65982 obsługuje i zarządza również transferem mocy USB.

Drugim układem jest HD2SS460 firmy Texas Instruments – szybki, dwukierunkowy, pasywny multiplekser 4 na 6, który przełącza tryb między trybami AM i USB oraz obsługuje odwrócenie złącza.

Ostatnim blokiem składowym jest konwerter wideo, który zamienia format DisplayPort na HDMI.

Dodatkowe uwagi odnośnie projektu

Poza głównymi blokami omówionymi powyżej, trzy elementy zasługują na szczególną uwagę: Pierwsze dwa chronią komponenty przed uszkodzeniem pod wpływem obciążenia prądem, a trzeci poprawia ogólne działanie systemu.

Konieczne są zabezpieczenia

Ponieważ port USB łączy się ze światem zewnętrznym, projekt musi zapewniać ochronę przed wyładowaniami elektrostatycznymi (ESD), które występują, gdy użytkownik podłączy lub odłączy kabel. Przy tym różne piny wymagają stosowania różnych rozwiązań. Przy gigabitowych przepustowościach projektant musi podjąć specjalne kroki, aby zapewnić integralność sygnału. Dodatkowe obwody dodane do kanału wysokiej szybkości, takie jak układ chroniący przed wyładowaniami elektrostatycznymi, muszą stanowić minimalną pojemność dla linii. Muszą również zapewnić dopasowanie impedancji na całej ścieżce sygnału, gdyż jakiekolwiek niedopasowanie może spowodować odbicia, a tym samym zwiększyć jitter i pogorszyć jakość sygnału. Piny, które przesyłają dane niższej szybkości, takie jak SBU i CC, nie są tak wrażliwe na zwiększoną pojemność czy niedopasowanie impedancji.

Osiem pinów TX/RX transmituje dane wysokiej szybkości zarówno w trybie USB, jak i HDMI: jako kanały USB 3.1 w trybie USB lub trzy kanały TDMS oraz zegar w trybie AM HDMI.

Transil (TVS) firmy Texas Instruments TPD4E02B04 chroni piny linii wysokich szybkości. Jest to czterokanałowy, dwukierunkowy układ chroniący przed wyładowaniami elektrostatycznymi za pomocą sieci diod, a jego pojemność wejściowa i wyjściowa wynosi tylko 0,25 pF na kanał. Wykorzystuje on standardową obudowę USON-10, przez którą można przeprowadzić ścieżki, aby zapewnić dopasowanie impedancji.

Ochrona ESD dla wolniejszych pinów wykorzystuje inny układ, omówiony poniżej.

Ochrona przed zwarciami linii BUS

Odległość między pinami złącza USB-C wynosi tylko 0,5 mm. To zwiększa prawdopodobieństwo wystąpienia zwarcia między pinami w porównaniu do wcześniejszego złącza typu A. Piny sąsiadujące z linią VBUS – SBU oraz CC – są szczególnie narażone na niebezpieczeństwo, zwłaszcza jeśli port USB / HDMI spełnia kompletną specyfikację USB PD. W takim wypadku maksymalne napięcie na linii VBUS może wynieść do 22 V. Długotrwałe napięcie o tej wartości nie tylko mogłoby się pojawić na sąsiednim pinie pod wpływem zwarcia, ale też spowodować powstanie dzwonienia o maksymalnej wartości 44 V podczas włożenia wtyczki zwartej do linii VBUS.

Układ TPD8S300 firmy Texas Instruments przeznaczony do ochrony portów USB (rys. 7) zapewnia ochronę przed wysokim poziomem napięcia na skutek zwarcia pinów CC lub SBU do linii VBUS, a jednocześnie ochronę przed dzwonieniem. Choć te i pozostałe piny nie są tak wrażliwe na dołączoną pojemność, jak piny wysokiej szybkości omówione wcześniej, nadal potrzebują ochrony przed ESD. Układ TPD8300 zapewnia ochronę pinów SBU oraz CC i ma dodatkowe zabezpieczenia przed wyładowaniami elektrostatycznymi dla pary pinów USB 2.0 D+/D-.

Rys. 7. Schemat blokowy TPD8S300 ujawnia wewnętrzne tranzystory FET i układ kontroli, który chroni piny SBU i CC przed zwarciem do linii VBUS, a także cztery dodatkowe kanały ochrony ESD. (źródło: Texas Instruments)

Kompensacja degradacji sygnału

Dodawanie komponentów chroniących przed wyładowaniami elektrostatycznymi i zwarciem VBUS ma wpływ na szybkie sygnały HDMI lub USB: pomimo najlepszych chęci projektanta, jakość sygnału pogorszy się podczas jego propagacji przez płytkę. Elementy pasożytnicze układów scalonych, ścieżki PCB i przelotki powodują degradację sygnału, zanim dotrze on do wyjścia. Dodanie regeneratora sygnału w tuż przed złączem typu C jest niedrogim rozwiązaniem , które pozwala zachować dobrą jakość sygnału przy wysokich częstotliwościach. Regenerator zwiększa siłę sygnału i realizuje liniową korekcję częstotliwości, która kompensuje straty kanału. W systemie USB-C może on pomóc przejść testy zgodności i poprawić pracę urządzenia z kablami o znacznej długości lub marnej jakości.

Układ TUSB1046 Texas Instruments łączy funkcje multipleksera trybu alternatywnego i regeneratora sygnału. Zawiera on liniowy regenerator zdolny obsłużyć przepustowości do 8,1 Gb/s na kanał AM, znacznie więcej, niż jest wymagane przez HDMI 1.4 (3,4 Gb/s). Choć model TUSB1046 został pierwotnie zaprojektowany do obsługi DisplayPort, działa niezależnie od protokołu. Rys. 8. przedstawia cztery kanały DisplayPort wykorzystane jako trzy kanału TMDS HDMI plus zegar TMDS.

Rys. 8. Przełącznik TUSB1046 z funkcją regeneracji sygnału skonfigurowany w trybie alternatywnym HDMI. W zwykłym trybie układ ten może też obsłużyć USB 3.1 SuperSpeed+. (źródło: Texas Instruments)

Przyszłe trendy

Najnowsza wersja popularnego standardu USB-C staje się powszechnym rozwiązaniem umożliwiającym komunikację z dużą szybkością w urządzeniach użytkowych, takich jak laptopy i smartfony. Wykorzystanie możliwości pracy USB w trybie alternatywnym pozwala na zastosowanie najnowszego standardu transmisji wysokiej szybkości HDMI w systemach wyposażonych w złącze USB typu C. Projektanci mogą oczekiwać, że inne popularne standardy wideo, takie jako DisplayPort, Thunderbolt czy MHL, także staną się dostępne w trybie alternatywnym.

Ponieważ HDMi jest tak popularnym standardem, prawdopodobnie układy dedykowane trybowi alternatywnemu HDMI wkrótce pojawią się na rynku. Jednak problemy i zagadnienia opisane w niniejszym artykule muszą być uwzględnione w każdym systemie tego typu, niezależnie od konkretnych wykorzystanych bloków.

Artykuł z zasobów i w uzgodnieniu z Mouser Electronics