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Le connecteur USB Type-C a le potentiel de devenir le seul port de données pour de nombreux ordinateurs portables et smartphones à l'avenir, mais ces appareils uniquement USB devront toujours se connecter à des appareils non USB tels que des moniteurs et des téléviseurs. Le passage entre l'USB et d'autres formats à haut débit dans un seul connecteur pose des défis aux concepteurs, notamment la commutation entre les fonctions des broches, la protection contre les transitoires externes tels que l'ESD et le maintien de la qualité du signal. La norme USB Type-C répond à ces besoins en définissant une méthode de fonctionnement Alt Mode, qui modifie dynamiquement la fonction des broches pour permettre l'utilisation de protocoles de données non-USB. protocoles de données.
Ce document explore les différentes normes qui permettent aux connecteurs USB Type-C de diffuser du HDMI et d'autres formats non USB, et fournit des considérations de conception clés pour ajouter la fonctionnalité de mode alternatif HDMI à l'interface USB Type-C.
Le Forum HDMI gère le fonctionnement en mode alternatif pour les environnements USB Type-C.La dernière norme USB, publiée fin 2016, se compose de trois parties :
La spécification du connecteur USB Type-C apporte quelques changements significatifs aux versions Type-A et Type-B qui nous sont familières. Pour l'observateur occasionnel, deux caractéristiques se distinguent :
Mesurant 8,3 mm x 2,5 mm, le Type-C est beaucoup plus petit que les connecteurs USB Type-A et -B, mais contient 24 broches, contre quatre dans les versions précédentes.
Les connecteurs de type C sont réversibles et fonctionnent dans n'importe quelle orientation. C'est pourquoi la disposition des broches du connecteur est symétrique : quelle que soit la rangée supérieure, tous les signaux sont dans la même position relative.
La spécification USB Type-C permet des modes de communication avec les systèmes USB 2.0 hérités via les broches D+/D- et VBUS/GND. Le brochage comprend également des broches pour deux autres nouvelles fonctionnalités définies dans la spécification, notamment les modes alternatifs. La figure 1 présente le mappage des modes standard et alternatif pour les connecteurs Type-C.
Figure 1 : Brochage du connecteur USB Type-C montrant le mappage des modes alternatifs. (Source : Texas Instruments)
La spécification USB Type 3.1 actualise les performances électriques de l'USB en augmentant le débit de données à 10 Gbps (appelé SuperSpeed+ dans la spécification). Cela nécessite deux paires différentielles TX et RX dédiées aux données à grande vitesse. La spécification augmente également la capacité d'alimentation de base à 5V à 150mA.
La spécification USB Power Delivery (USB PD) définit le fonctionnement en mode alternatif, mais elle augmente également la quantité de puissance disponible à 100 W et élargit considérablement la gamme d'options d'alimentation disponibles pour les concepteurs. Lorsqu'il est utilisé avec un câble USB Type-C actif, l'USB PD ajoute un flux d'alimentation bidirectionnel entre les deux appareils ; le flux d'alimentation peut même être inversé en temps réel grâce au canal de communication porté par la broche de canal de configuration (CC) du Type-C.
Bien que les trois spécifications soient distinctes, les systèmes USB compatibles HDMI doivent prendre en charge les spécifications Type-C et USB PD. En outre, chaque broche remappée doit prendre en charge le débit de données de sa caractéristique HDMI 1.4 correspondante.
La norme HDMI 1.4 comporte six canaux de données fonctionnant à quatre vitesses différentes :
HDMI Ethernet and Audio Return Channel (HEAC) : communication de données bidirectionnelle à grande vitesse qui prend en charge l'Ethernet 100Base-TX (100Mbps). HEAC comprend un composant audio en continu qui est conforme à la norme IEC 60958-1.
TMDS (Transition Minimised Differential Signaling) : trois canaux différentiels pour une transmission vidéo et de données à grande vitesse. HDMI 1.4 a un débit maximal de 10,2 Gbps ou 3,4 Gb par canal.
DDC (Display Data Channel) : canal de communication basé sur le protocole I2C standard, avec un taux standard de 100kbps ; il permet à l'appareil source de reconnaître les formats audio/vidéo pris en charge.
CEC (Consumer Electronics Control) : permet à l'utilisateur de contrôler jusqu'à 15 canaux à faible vitesse d'appareils compatibles. Le canal est conforme à la norme CENELEC EN 50157-1.
Le connecteur HDMI Type-A standard est illustré à la figure 2 ; la figure 3 montre les nouvelles définitions de broches pour le connecteur USB Type-C en mode HDMI alternatif. L'implémentation fait correspondre trois paires TMDS et leurs signaux d'horloge à huit broches USB TX/RX. Les deux broches SBU portent désormais le canal HEAC et la broche CC porte le signal CEC à faible vitesse. Notez que les paires D+/D- ne sont pas affectées par cette conversion, de sorte que le canal de données USB 2.0 peut toujours fonctionner en parallèle avec HDMI.
Figure 2 : Le connecteur HDMI de type A comporte 19 broches, y compris les trois canaux de données à haut débit sous forme de paire torsadée blindée.
Figure 3 : Cartographie des broches de HDMI en mode alternatif USB Type-C (source d'image : HDMI.org)
La spécification USB PD définit la séquence d'événements nécessaires pour passer en mode veille. Lorsqu'un utilisateur connecte un câble Type-C actif entre deux ports compatibles USB PD, une série de négociations a lieu sur la ligne CC (figure 4). La négociation détermine si le mode USB ou le mode alternatif doit être utilisé et quelle norme de mode alternatif s'applique ; un ensemble spécifique de messages définis par le fournisseur (VDM) identifie la norme à utiliser.
Figure 4 : Lorsqu'un port USB PD reconnaît pour la première fois la présence d'un autre port USB PD, une négociation a lieu pour déterminer le protocole d'alimentation et le format de données à utiliser. (Crédit d'image : Texas Instruments)
Bien qu'elle ne soit pas nécessaire pour le fonctionnement de HDMI, la séquence de négociation inclut également d'autres caractéristiques USB PD telles que le niveau d'alimentation requis et la direction du flux d'alimentation. Une fois que la séquence d'initialisation a établi que HDMI est le protocole souhaité, les deux ports réaffectent leurs broches en fonction des besoins et le fonctionnement de HDMI Alt Mold commence.
Quels sont les composants matériels nécessaires pour ajouter l'HDMI à un port USB Type-C ? La figure 5 présente un schéma fonctionnel du port USB PD avec les composants du mode alternatif mis en évidence. Notez que même si l'application ne spécifie pas de niveau d'alimentation USB PD, l'acceptation du mode alternatif nécessite une négociation sur la ligne CC, de sorte que le PHY USB PD et le gestionnaire PD doivent toujours être inclus :
Le dispositif de couche physique en mode alternatif (PHY) reçoit les informations vidéo de l'unité de traitement graphique (GPU) haut de gamme et les encode sur les trois lignes de données différentielles TMDS.
Le multiplexeur en mode alternatif (MUX) permet de basculer entre les implémentations HDMI AM et USB. Pour les applications HDMI, il connecte les signaux HDMI aux broches correctes du connecteur Type-C ; pour les applications USB 3.1, il connecte les signaux RX/TX et les permute en fonction de l'orientation du câble.
Figure 5 : Le mode de secours via USB Type-C nécessite deux modules supplémentaires, représentés en vert. (Crédit d'image : Texas Instruments)
La spécification HDMI Alt Mode étant nouvelle, les puces conçues spécifiquement pour cette application sont encore en cours de développement. Cependant, les composants DisplayPort Alt Mode sont facilement disponibles et peuvent être utilisés avec l'ajout d'un convertisseur de format HDMI. La figure 6 présente un schéma fonctionnel d'un port USB Type-C prenant en charge l'USB, le HDMI Alt Mode et la spécification USB PD complète.
Figure 6 : Schéma fonctionnel du port USB Type-C/HDMI
Deux dispositifs constituent la base de la conception : tout d'abord, le contrôleur autonome USB Type-C et PD TPS65982 de Texas Instruments exécute plusieurs tâches :
Il détecte l'insertion du câble USB Type-C et l'orientation de sa fiche.
Il négocie la fonction d'alimentation et transmet l'information via I2C au microcontrôleur de surveillance qui détermine le mode de fonctionnement.
Il configure les paramètres du mode Alt pour le multiplexeur afin d'acheminer les signaux USB ou HDMI vers la destination correcte.
Pendant le fonctionnement, le TPS65982 gère également l'acheminement et le contrôle de l'alimentation USB.
Deuxièmement, le multiplexeur/démultiplexeur passif 4×6 bidirectionnel à grande vitesse HD3SS460 de Texas Instruments (TI) passe du mode alternatif au mode USB et s'adapte aux bascules des connecteurs.
Le dernier élément est un convertisseur vidéo permettant de passer du format DisplayPort au format HDMI.
Outre les principaux modules mentionnés ci-dessus, trois d'entre eux méritent une attention particulière : les deux premiers protègent les composants contre les surtensions électriques et le troisième améliore les performances globales du système.
Les ports USB étant connectés au monde extérieur, la conception doit fournir une protection contre les chocs ESD potentiels lorsque l'utilisateur branche ou débranche le câble, mais les différentes broches requièrent des solutions ESD différentes. À des débits de données de l'ordre du gigabit, les concepteurs doivent prendre des précautions particulières pour maintenir l'intégrité des signaux. Tout circuit supplémentaire ajouté au chemin de données à haut débit, tel que les dispositifs de protection ESD, doit ajouter une capacité minimale à la ligne ; il doit également maintenir l'adaptation de l'impédance tout au long du chemin du signal, car toute inadéquation peut provoquer des réflexions susceptibles d'augmenter la gigue et de dégrader la qualité du signal. Les broches transportant des données à faible vitesse, telles que les SBU et les CC, sont moins sensibles à l'ajout de capacité ou à l'inadéquation de l'impédance.
Huit broches TX/RX transportent des canaux de données à grande vitesse en modes USB et HDMI : un canal USB 3.1 pour le fonctionnement USB et trois canaux TMDS et horloges pour le fonctionnement HDMI AM.
Le dispositif de suppression de tension transitoire (TVS) Texas Instruments TPD4E02B04 protège les broches de données à grande vitesse. Il s'agit d'un réseau de diodes de protection ESD à quatre canaux, bidirectionnel, avec une capacité d'E/S de seulement 0,25 pF par canal, qui utilise le boîtier USON-10 standard de l'industrie et un routage à travers le flux pour faire correspondre l'impédance d'alignement.
La protection contre les décharges électrostatiques des broches à faible vitesse est incluse dans un autre dispositif, dont il sera question plus loin.
Le connecteur USB Type-C présente un espacement des broches de seulement 0,5 mm, ce qui augmente la probabilité de courts-circuits entre broches par rapport aux connecteurs Type-A antérieurs. Les broches adjacentes à la broche V BUS (SBU et CC) sont particulièrement à risque, surtout si le port USB/HDMI prend en charge l'intégralité de la spécification USB PD, qui permet à la broche V BUS de transporter jusqu'à 22V. Cette tension soutenue peut non seulement apparaître sur les broches adjacentes en cas de court-circuit, mais peut également générer des tensions de sonnerie allant jusqu'à 44 V en cas de court-circuit à chaud sur la broche V BUS.
Le protecteur de port USB TPD8S300 de Texas Instruments (Figure 7) offre une protection contre les surtensions et les courts-circuits VBUS sur les broches CC et SBU, ainsi qu'une protection contre les anneaux de tension. Le TPD8S300 protège les broches SBU et CC et fournit une protection ESD supplémentaire pour les deux paires D+/D- de l'USB2.0.
Figure 7 : Le schéma fonctionnel du TPD8S300 montre les FET en série et les circuits de contrôle utilisés pour protéger les broches SBU et CC d'un court-circuit VBUS, ainsi que quatre canaux supplémentaires de protection ESD. (Source : Texas Instruments)
L'ajout de composants de protection contre les décharges électrostatiques et les courts-circuits V BUS peut avoir un impact sur les signaux HDMI ou USB à haut débit : malgré les efforts des concepteurs, la qualité du signal est inévitablement affectée lorsqu'il traverse la carte. Les parasites des broches des circuits intégrés, les alignements de la carte et les trous de via peuvent dégrader la qualité du signal avant qu'il n'atteigne les broches de sortie.
L'inclusion d'un pilote d'adaptateur dans la chaîne de signal avant le connecteur Type-C est une solution rentable pour maintenir une bonne qualité de signal à des débits de données élevés. Le pilote d'adaptateur augmente la sortie du signal et inclut une égalisation linéaire pour compenser la perte de canal. Dans les systèmes USB Type-C, il peut aider à passer les tests de conformité et à améliorer l'interopérabilité des appareils lorsqu'ils sont utilisés avec des câbles de faible qualité ou très longs.
Le TUSB1046 de Texas Instruments combine un multiplexeur en mode alternatif et un pilote d'adaptateur en un seul dispositif. La pièce comprend un pilote d'adaptateur linéaire qui peut prendre en charge des débits de données allant jusqu'à 8,1 Gbps par canal en mode alternatif, ce qui est plus que suffisant pour les 3,4 Gbps de HDMI 1.4. Bien que le TUSB1046 ait été conçu à l'origine pour l'utilisation de DisplayPort, il est agnostique en termes de protocole. La figure 8 montre une configuration DisplayPort à quatre canaux réutilisée pour les trois canaux HDMI TMDS et l'horloge TMDS.
Figure 8 : Commutateur adaptateur TUSB1046 configuré pour les applications HDMI AM : Le dispositif peut également prendre en charge l'USB 3.1 SuperSpeed+ en mode normal. (Source : Texas Instruments)
USB Type-C est la dernière version de la norme populaire qui s'impose pour la communication de données à haut débit dans les appareils grand public tels que les ordinateurs portables et les smartphones. Tirant parti de la capacité de mode alternatif de l'USB, l'HDMI est la dernière norme de données à haut débit à publier une spécification définissant son utilisation dans un environnement USB Type-C. Les concepteurs peuvent s'attendre à voir d'autres normes vidéo populaires rejoindre DisplayPort, Thunderbolt, MHL et HDMI dans la tendance du mode alternatif.
Le HDMI étant une norme très répandue, il faut s'attendre à ce que des chipsets à mode alternatif dédiés au HDMI fassent bientôt leur apparition. Indépendamment du module de circuit particulier, toutefois, bon nombre des questions abordées dans cet article sont des problèmes d'ingénierie de base qui doivent être résolus dans tout système ayant des performances similaires.
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