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原创深度:无需转接!新版USB Type-C直接支持HDMI输出(二)

2019-07-24
关键词: USBType-C HDMI

  在上一篇文章“无需转接!新版USB Type-C直接支持HDMI输出(一)”中,我们介绍了有关USB规范以及HDMI备用模式增加到USB Type-C接口时需要考虑的主要问题。在本文中,我们将会讨论用于低速引脚ESD保护的其他器件。

  设计注意事项

  除了上面讨论的主要模块外,还需要特别注意以下三个元件:其中两个用于保护组件免受电磁脉冲影响,另一个可帮助提升整体系统性能。

  防护注意事项

  由于USB端口是暴露在外的,所以当用户插入和拔出线缆时,必须要防止发生意外的静电释放(ESD),但不同的引脚可能需要的ESD解决方案也不尽相同。在千兆数据传输速率下,设计人员必须采取特殊的预防措施来保持信号的完整性。需确保所有添加到高速数据通道的电路(比如ESD保护电路)引入的线路电容非常小,此外还必须在整个信号回路中保持阻抗匹配,如果不匹配,可能会导致信号抖动并降低信号质量。而SBU和CC等数据传输速率低的引脚,对于电容增加或阻抗不匹配没有那么敏感。

  共有八个TX/RX引脚在USB模式和HDMI模式下充当高速数据通道:包括用于USB操作的USB 3.1通道、三个TMDS通道以及用于HDMI AM操作的时钟通道。

  Texas Instruments推出的TPD4E02B04 瞬态电压抑制器(TVS)可保护高速数据引脚。此器件是一个四通道双向ESD保护二极管阵列,每个通道还拥有仅0.25pF的I/O电容。其行业标准USON-10封装采用直通布线,可实现走线阻抗匹配。

  下文将会讨论用于低速引脚ESD保护的其他器件。

  防止VBUS发生短路

  USB Type-C接口的引脚间距通常只有0.5mm,与之前Type-A接口相比,引脚间更容易发生短路。SBU和CC这类与VBUS相邻的引脚就很容易短路,尤其在USB或HDMI端口支持完整USB PD规范时,短路风险就更高了,因为这种情况下VBUS引脚的电压可达到22V。这种持续性的电压不仅可以短时间内出现在相邻引脚上,在进行热插拔的过程中甚至可以产生高达44V的瞬态电压。

  Texas Instruments(TI)的TPD8S300 USB端口保护器(见图1),可为CC和SBU引脚上发生的VBUS短路事件提供过压保护,还能防止发生电压振铃。虽然这些引脚不像前面讨论的高速引脚对电容增加那么敏感,但是它们同样需要ESD保护。TPD8S300可以保护SBU和CC引脚,并为两个USB 2.0 D+/D-引脚对提供额外的ESD保护。

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  图1:TPD8S300内部结构图显示了保护SBU和CC引脚不受VBUS短路影响的直插式FET和控制电路,并增加了四个额外的ESD保护通道(来源:Texas Instruments)

  信号衰减补偿

  通过添加组件来防止ESD和VBUS短路会对高速HDMI或USB信号产生影响:尽管设计人员已尽了最大努力,但是实际使用时信号质量还是不可避免地受到影响,这是因为IC引脚寄生电容、PCB走线等因素都会影响信号到达输出引脚时的质量。

  对于信号链路,在Type-C接口前增加信号中继器,是确保高数据速率下维持信号质量良好的最有效方法。信号中继器会放大输出信号,通过线性均衡来补偿通道信号的衰减。对于采用USB Type-C接口的应用,在线缆质量不好或长度非常长时,它还可以帮助通过兼容性测试并提高设备间的互操作性。

  TI推出的TUSB1046模拟和数字交叉点IC集成了备用模式多路复用器和信号中继器,其中线性信号中继器支持备用模式下每个通道高达8.1Gbps的数据传输速率,足以满足HDMI 1.4规范的3.4Gbps需求。尽管TUSB1046最初是为DisplayPort而设计的,但是它与协议无关。图2显示的是适配三个HDMI TMDS通道和TMDS时钟的DisplayPort四通道设置。

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  图2:针对HDMI AM应用配置的TUSB1046信号中继开关:此器件还支持正常模式下的USB 3.1 SuperSpeed+标准(来源:Texas Instruments)

  未来发展趋势

  USB Type-C最新修订版应用广泛,正逐渐在成为消费电子设备(比如笔记本电脑、智能手机)的高速数据通信标准。USB Type-C备用模式让HDMI成为目前最新的高速数据通信标准,它还规定了在USB Type-C应用中的使用规范。设计人员期待Type-C在备用模式的加持下,能够支持除DisplayPort、Thunderbolt、MHL和HDMI以外的更多流行音频标准。

  HDMI的流行推动了支持HDMI专用备用模式的器件快速面市,不管具体的电路设计是怎样的,本文讨论的许多问题都是任何类型系统都面临且必须解决的基本工程问题。


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