原創深度:無需轉接!新版USB Type-C直接支持HDMI輸出(二)

2021-02-13 電子創新網

在上一篇文章「無需轉接!新版USB Type-C直接支持HDMI輸出(一)」中,我們介紹了有關USB規範以及HDMI備用模式增加到USB Type-C接口時需要考慮的主要問題。在本文中,我們將會討論用於低速引腳ESD保護的其他器件。

除了上面討論的主要模塊外,還需要特別注意以下三個元件:其中兩個用於保護組件免受電磁脈衝影響,另一個可幫助提升整體系統性能。

由於USB埠是暴露在外的,所以當用戶插入和拔出線纜時,必須要防止發生意外的靜電釋放(ESD),但不同的引腳可能需要的ESD解決方案也不盡相同。在千兆數據傳輸速率下,設計人員必須採取特殊的預防措施來保持信號的完整性。需確保所有添加到高速數據通道的電路(比如ESD保護電路)引入的線路電容非常小,此外還必須在整個信號迴路中保持阻抗匹配,如果不匹配,可能會導致信號抖動並降低信號質量。而SBU和CC等數據傳輸速率低的引腳,對於電容增加或阻抗不匹配沒有那麼敏感。

共有八個TX/RX引腳在USB模式和HDMI模式下充當高速數據通道:包括用於USB操作的USB 3.1通道、三個TMDS通道以及用於HDMI AM操作的時鐘通道。

Texas Instruments推出的TPD4E02B04 瞬態電壓抑制器(TVS)可保護高速數據引腳。此器件是一個四通道雙向ESD保護二極體陣列,每個通道還擁有僅0.25pF的I/O電容。其行業標準USON-10封裝採用直通布線,可實現走線阻抗匹配。

下文將會討論用於低速引腳ESD保護的其他器件。

USB Type-C接口的引腳間距通常只有0.5mm,與之前Type-A接口相比,引腳間更容易發生短路。SBU和CC這類與VBUS相鄰的引腳就很容易短路,尤其在USB或HDMI埠支持完整USB PD規範時,短路風險就更高了,因為這種情況下VBUS引腳的電壓可達到22V。這種持續性的電壓不僅可以短時間內出現在相鄰引腳上,在進行熱插拔的過程中甚至可以產生高達44V的瞬態電壓。

Texas Instruments(TI)的TPD8S300 USB埠保護器(見圖1),可為CC和SBU引腳上發生的VBUS短路事件提供過壓保護,還能防止發生電壓振鈴。雖然這些引腳不像前面討論的高速引腳對電容增加那麼敏感,但是它們同樣需要ESD保護。TPD8S300可以保護SBU和CC引腳,並為兩個USB 2.0 D+/D-引腳對提供額外的ESD保護。

圖1:TPD8S300內部結構圖顯示了保護SBU和CC引腳不受VBUS短路影響的直插式FET和控制電路,並增加了四個額外的ESD保護通道(來源:Texas Instruments)

通過添加組件來防止ESD和VBUS短路會對高速HDMI或USB信號產生影響:儘管設計人員已盡了最大努力,但是實際使用時信號質量還是不可避免地受到影響,這是因為IC引腳寄生電容、PCB走線等因素都會影響信號到達輸出引腳時的質量。

對於信號鏈路,在Type-C接口前增加信號中繼器,是確保高數據速率下維持信號質量良好的最有效方法。信號中繼器會放大輸出信號,通過線性均衡來補償通道信號的衰減。對於採用USB Type-C接口的應用,在線纜質量不好或長度非常長時,它還可以幫助通過兼容性測試並提高設備間的互操作性。

TI推出的TUSB1046模擬和數字交叉點IC集成了備用模式多路復用器和信號中繼器,其中線性信號中繼器支持備用模式下每個通道高達8.1Gbps的數據傳輸速率,足以滿足HDMI 1.4規範的3.4Gbps需求。儘管TUSB1046最初是為DisplayPort而設計的,但是它與協議無關。圖2顯示的是適配三個HDMI TMDS通道和TMDS時鐘的DisplayPort四通道設置。

圖2:針對HDMI AM應用配置的TUSB1046信號中繼開關:此器件還支持正常模式下的USB 3.1 SuperSpeed+標準(來源:Texas Instruments)

USB Type-C最新修訂版應用廣泛,正逐漸在成為消費電子設備(比如筆記本電腦、智慧型手機)的高速數據通信標準。USB Type-C備用模式讓HDMI成為目前最新的高速數據通信標準,它還規定了在USB Type-C應用中的使用規範。設計人員期待Type-C在備用模式的加持下,能夠支持除DisplayPort、Thunderbolt、MHL和HDMI以外的更多流行音頻標準。

HDMI的流行推動了支持HDMI專用備用模式的器件快速面市,不管具體的電路設計是怎樣的,本文討論的許多問題都是任何類型系統都面臨且必須解決的基本工程問題。

作者簡介

作為一名自由技術撰稿人,Paul Pickering寫過很多文章,涉及的主題包括半導體元件與技術、無源器件、封裝、電力電子系統、汽車電子、物聯網(IoT)、嵌入式軟體、EMC和替代能源。Paul在電子行業擁有超過35年的工程和市場營銷經驗,對汽車電子、精密模擬器件、功率半導體、嵌入式系統、邏輯器件、飛行模擬和機器人領域均有涉獵。他還熟練掌握了數字和模擬電路設計、嵌入式軟體和網絡技術。Paul出生於英格蘭東北部,曾在歐洲、美國和日本生活和工作。他擁有倫敦大學皇家霍洛威學院的物理與電子學士學位,並在塔爾薩大學攻讀了研究生。


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