USB接口规范介绍！USB Type-C连接器规范

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。

USB接口规范介绍

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连接器规范

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接口尺寸为8.3mm x2.5mm，相比USB Type-A和Type-B要小很多，但是它包含24个管脚，而之前的版本只有4个管脚

• 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。

图1：USB Type-C管脚图显示了可选模式设计（来源：TI）

USB Type 3.1规范

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。

HDMI 1.4数据传输速率

HDMI 1.4总共有六个数据通道，分为四种不同的数据速率：

1

• HDMI以太网和音频通道（HEAC）：高速双向的数据通信通道，支持100Base-TX（100Mbps），HEAC包括符合IEC 60958-1规范的流媒体音频组件

2

• 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

3

• 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

4

• 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

HDMI接口管脚映射

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：How Stuff Works.COM）

图3：USB Type-C可选模式接口中HDMI通道的管脚映射（来源：HDMI.org）

初始化HDMI可选模式

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。

HDMI可选模式架构

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：

1

• 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差分数据线传输

2

• 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）