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El conector USB Tipo-C tiene el potencial de convertirse en el único puerto de datos de muchos portátiles y smartphones en el futuro, pero estos dispositivos solo USB seguirán necesitando conectarse a dispositivos no USB como monitores y televisores. Alternar entre USB y otros formatos de alta velocidad en un único conector plantea retos a los diseñadores, como cambiar entre las funciones de los pines, proporcionar protección frente a transitorios externos como ESD y mantener la calidad de la señal. el estándar USB Type-C satisface estas necesidades definiendo un método de funcionamiento Alt Mode, que cambia dinámicamente la función de los pines para permitir el uso de protocolos de datos no USB. protocolos de datos.
Este documento explora los diversos estándares que permiten a los conectores USB Type-C transmitir HDMI y otros formatos no USB, y proporciona consideraciones de diseño clave para añadir la funcionalidad de modo alternativo HDMI a la interfaz USB Type-C.
El Foro HDMI gestiona el funcionamiento en modo alternativo para entornos USB Type-C.El último estándar USB, publicado a finales de 2016, consta de tres partes:
La especificación del conector USB Tipo-C introduce algunos cambios significativos respecto a las conocidas versiones Tipo-A y Tipo-B. Para el observador casual, destacan dos características:
Con unas dimensiones de 8,3 mm x 2,5 mm, Type-C es mucho más pequeño que los conectores USB Type-A y -B, pero contiene 24 pines, frente a los cuatro de las versiones anteriores.
Los conectores de tipo C son reversibles y funcionan en cualquier orientación. Por este motivo, la disposición de las patillas del conector es simétrica; no importa qué fila esté arriba, todas las señales están en la misma posición relativa.
La especificación USB Type-C permite modos de comunicación con sistemas USB 2.0 heredados a través de los pines D+/D- y VBUS/GND. El pinout también incluye pines para otras dos nuevas características definidas en la especificación, incluidos los modos alternativos. La figura 1 muestra la asignación de los modos estándar y alternativo para los conectores Type-C.
Figura 1: Distribución de pines del conector USB Type-C con asignación de modos alternativos. (Fuente: Texas Instruments)
La especificación USB Tipo 3.1 actualiza el rendimiento eléctrico de USB aumentando la velocidad de transmisión de datos a 10 Gbps (denominada SuperSpeed+ en la especificación). Esto requiere dos pares diferenciales TX y RX dedicados a datos de alta velocidad. La especificación también aumenta la capacidad de alimentación básica a 5 V a 150 mA.
La especificación USB Power Delivery (USB PD) define el funcionamiento en modo alternativo, pero también aumenta la cantidad de energía disponible a 100 W y amplía enormemente la gama de opciones de suministro de energía disponibles para los diseñadores. Cuando se utiliza con un cable USB Type-C activo, USB PD añade un flujo de alimentación bidireccional entre los dos dispositivos; el flujo de alimentación puede incluso invertirse en tiempo real gracias al canal de comunicación transportado en el pin Configuration Channel (CC) Type-C.
Aunque las tres especificaciones son independientes, los sistemas USB con HDMI deben ser compatibles con las especificaciones Type-C y USB PD. Además, cada pin reasignado debe ser compatible con la velocidad de datos de su correspondiente función HDMI 1.4.
HDMI 1.4 tiene seis canales de datos que funcionan a cuatro velocidades diferentes:
Canal de retorno de audio y Ethernet HDMI (HEAC): comunicación de datos bidireccional de alta velocidad compatible con Ethernet 100Base-TX (100 Mbps). HEAC incluye un componente de audio en streaming que cumple la norma IEC 60958-1.
TMDS (Transition Minimised Differential Signaling): tres canales diferenciales para la transmisión de vídeo y datos a alta velocidad.HDMI 1.4 tiene un caudal máximo de 10,2 Gbps o 3,4 Gb por canal.
DDC (canal de datos de pantalla): canal de comunicación basado en el protocolo I2C estándar del sector, con una velocidad estándar de 100 kbps; permite al dispositivo fuente reconocer los formatos de audio/vídeo compatibles.
CEC (Consumer Electronics Control): permite al usuario controlar hasta 15 canales de baja velocidad de dispositivos compatibles. El canal cumple la norma CENELEC EN 50157-1.
El conector HDMI tipo A estándar se muestra en la figura 2; la figura 3 muestra las nuevas definiciones de pines para el conector USB tipo C en modo HDMI alternativo. La implementación asigna tres pares TMDS y sus señales de reloj a ocho pines USB TX/RX. Los dos pines SBU ahora llevan el canal HEAC y el pin CC lleva la señal CEC de baja velocidad. Ten en cuenta que los pares D+/D- no se ven afectados por esta conversión, por lo que el canal de datos USB 2.0 puede seguir funcionando en paralelo con HDMI.
Figura 2: El conector HDMI tipo A tiene 19 patillas, incluidos los tres canales de datos de alta velocidad como par trenzado apantallado.
Figura 3: Asignación de patillas de HDMI en modo alternativo USB Type-C (fuente de la imagen: HDMI.org)
La especificación USB PD define la secuencia de eventos necesaria para entrar en modo de espera. Cuando un usuario conecta un cable Type-C activo entre dos puertos USB PD habilitados, tiene lugar una serie de negociaciones a través de la línea CC (Figura 4). La negociación determina si se va a utilizar USB o el modo alternativo y qué estándar de modo alternativo se aplica; un conjunto específico de mensajes definidos por el proveedor (VDM) identifica el estándar que se va a utilizar.
Figura 4: Cuando un puerto USB PD reconoce por primera vez la presencia de otro puerto USB PD, se produce una negociación para determinar el protocolo de alimentación y el formato de datos que se va a utilizar. (Crédito de la imagen: Texas Instruments)
Aunque no es necesaria para el funcionamiento de HDMI, la secuencia de negociación también incluye otras características de USB PD, como el nivel de potencia requerido y la dirección del flujo de potencia. Una vez que la secuencia de inicialización establece HDMI como el protocolo deseado, ambos puertos reasignan sus pines según sea necesario y comienza el funcionamiento HDMI Alt Mold.
Qué componentes de hardware se necesitan para añadir HDMI a un puerto USB Type-C? La figura 5 muestra un diagrama de bloques del puerto USB PD con los componentes del modo alternativo resaltados. Tenga en cuenta que incluso si la aplicación no especifica un nivel de potencia de USB PD, aceptar el modo alternativo requiere negociación a través de la línea CC, por lo que el USB PD PHY y el PD Manager deben incluirse igualmente:
El dispositivo de capa física (PHY) de modo alterno toma la información de vídeo de la unidad de procesamiento gráfico (GPU) de gama alta y la codifica en las tres líneas de datos diferenciales TMDS.
El multiplexor de modo alterno (MUX) permite alternar entre las implementaciones HDMI AM y USB. Para aplicaciones HDMI, conecta las señales HDMI a los pines correctos del conector Type-C; para aplicaciones USB 3.1, conecta las señales RX/TX y las intercambia según la orientación del cable.
Figura 5: El modo de repuesto a través de USB Type-C requiere dos módulos adicionales, mostrados en verde. (Crédito de la imagen: Texas Instruments)
La especificación HDMI Alt Mode es nueva, por lo que los chipsets diseñados específicamente para esta aplicación aún están en fase de desarrollo. Sin embargo, las piezas de DisplayPort Alt Mode ya están disponibles y se pueden utilizar con la adición de un convertidor de formato HDMI. La figura 6 muestra un diagrama de bloques de un puerto USB Type-C compatible con USB, HDMI Alt Mode y la especificación USB PD completa.
Figura 6: Diagrama de bloques del puerto USB Type-C/HDMI
Dos dispositivos forman la base del diseño: en primer lugar, el controlador USB Type-C y PD autónomo TPS65982 de Texas Instruments realiza múltiples tareas:
Detecta la inserción del cable USB Type-C y su orientación de enchufe.
Negocia la función de alimentación y pasa la información vía I2C al microcontrolador de monitorización que determina el modo de funcionamiento.
Configura los ajustes del modo Alt para que el multiplexor dirija las señales USB o HDMI al destino correcto.
Durante el funcionamiento, el TPS65982 también gestiona el enrutamiento y control de la alimentación USB.
En segundo lugar, el multiplexor/demultiplexor pasivo 4×6 bidireccional de alta velocidad HD3SS460 de Texas Instruments (TI) alterna entre los modos alternativo y USB y se adapta a los flip-flops del conector.
El último componente es un conversor de vídeo para pasar del formato DisplayPort al HDMI.
Además de los principales módulos mencionados, hay tres que merecen especial atención: los dos primeros protegen los componentes de la sobretensión eléctrica y el tercero mejora el rendimiento general del sistema.
Dado que los puertos USB están conectados al mundo exterior, el diseño debe ofrecer protección contra posibles descargas ESD cuando el usuario enchufa o desenchufa el cable, pero los distintos pines requieren soluciones ESD diferentes. A velocidades de datos de gigabits, los diseñadores deben tomar precauciones especiales para mantener la integridad de la señal. Cualquier circuito adicional que se añada a la ruta de datos de alta velocidad, como los dispositivos de protección ESD, debe añadir una capacitancia mínima a la línea; también debe mantener la adaptación de impedancias en toda la ruta de la señal, ya que cualquier desajuste puede causar reflexiones que pueden aumentar las fluctuaciones y degradar la calidad de la señal. Los pines que transportan datos a baja velocidad, como las SBU y las CC, son menos sensibles a la capacitancia añadida o al desajuste de impedancia.
Ocho pines TX/RX transportan canales de datos de alta velocidad en los modos USB y HDMI: un canal USB 3.1 para el funcionamiento USB y tres canales TMDS y relojes para el funcionamiento HDMI AM.
El dispositivo de supresión de tensión transitoria (TVS) TPD4E02B04 de Texas Instruments protege los pines de datos de alta velocidad. Se trata de una matriz de diodos de protección ESD bidireccional de cuatro canales con una capacitancia de E/S de solo 0,25 pF por canal y utiliza el encapsulado USON-10 estándar del sector y el enrutamiento de flujo continuo para adaptarse a la impedancia de alineación.
La protección ESD para los pines de baja velocidad se incluye en otro dispositivo, que se analiza a continuación.
El conector USB de tipo C tiene una separación entre patillas de solo 0,5 mm, lo que aumenta la probabilidad de cortocircuitos entre patillas en comparación con los conectores de tipo A anteriores. Los pines adyacentes al pin V BUS (SBU y CC) están especialmente en riesgo, sobre todo si el puerto USB/HDMI es compatible con la especificación USB PD completa, que permite que el pin V BUS transporte hasta 22V. Esta tensión sostenida no sólo puede aparecer en las patillas adyacentes en caso de cortocircuito, sino que también puede generar tensiones de timbre de hasta 44 V en caso de cortocircuito en caliente de la clavija V BUS.
El protector de puerto USB TPD8S300 de Texas Instruments (figura 7) proporciona protección contra sobretensión contra eventos de cortocircuito VBUS en los pines CC y SBU y protección contra anillos de tensión. Aunque estos y otros pines no son tan sensibles a la capacitancia adicional como los pines de alta velocidad comentados anteriormente, siguen necesitando protección ESD. el TPD8S300 protege los pines SBU y CC y proporciona protección ESD adicional para los dos pares USB2.0 D+/D-.
Figura 7: El diagrama de bloques del TPD8S300 muestra los FET en serie y los circuitos de control utilizados para proteger los pines SBU y CC de un evento de cortocircuito VBUS, así como cuatro canales adicionales de protección ESD. (Fuente: Texas Instruments)
La adición de componentes de protección contra ESD y cortocircuitos del bus V puede repercutir en las señales HDMI o USB de alta velocidad: a pesar de los esfuerzos de los diseñadores, la calidad de la señal sufre inevitablemente a medida que viaja por la placa. Las parásitas de las patillas del circuito integrado, las alineaciones de la placa de circuito impreso y los orificios de las vías pueden degradar la calidad de la señal antes de que ésta llegue a las patillas de salida.
Incluir un driver adaptador en la cadena de señal antes del conector Type-C es una solución rentable para mantener una buena calidad de señal a altas velocidades de datos. El controlador del adaptador potencia la salida de la señal e incluye ecualización lineal para compensar la pérdida de canales. En los sistemas USB Type-C, puede ayudar a superar las pruebas de conformidad y mejorar la interoperabilidad de los dispositivos cuando se utilizan con cables de baja calidad o muy largos.
TUSB1046 de Texas Instruments combina un multiplexor de modo alternativo y un controlador de adaptador en un único dispositivo. La pieza incluye un controlador de adaptador lineal que admite velocidades de datos de hasta 8,1 Gbps por canal de modo alterno, más que suficiente para los 3,4 Gbps de HDMI 1.4. Aunque el TUSB1046 se diseñó originalmente para DisplayPort, es independiente del protocolo. La figura 8 muestra una configuración DisplayPort de cuatro canales reutilizada para los tres canales HDMI TMDS y el reloj TMDS.
Figura 8: Conmutador adaptador TUSB1046 configurado para aplicaciones HDMI AM: el dispositivo también admite USB 3.1 SuperSpeed+ en modo normal. (Fuente: Texas Instruments)
USB Type-C es la última versión del popular estándar que se está convirtiendo en la norma para la comunicación de datos de alta velocidad en dispositivos de consumo como portátiles y smartphones. Aprovechando la capacidad de modo alternativo de USB, HDMI es el último estándar de datos de alta velocidad en publicar una especificación que define su uso en un entorno USB Type-C. Los diseñadores pueden esperar que otros estándares de vídeo populares se unan a DisplayPort, Thunderbolt, MHL y HDMI en la tendencia del modo alternativo.
Dado que HDMI es un estándar tan popular, es de esperar que pronto aparezcan chipsets de modo alternativo dedicados a HDMI. Sin embargo, independientemente del módulo de circuito concreto, muchas de las cuestiones tratadas en este artículo son problemas básicos de ingeniería que deben abordarse en cualquier sistema con prestaciones similares.
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