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O conetor USB Tipo C tem potencial para se tornar a única porta de dados para muitos computadores portáteis e smartphones no futuro, mas estes dispositivos apenas com USB continuarão a precisar de se ligar a dispositivos não USB, como monitores e televisores. A alternância entre USB e outros formatos de alta velocidade num único conetor coloca desafios aos projectistas, incluindo a alternância entre as funções dos pinos, a proteção contra transientes externos, como ESD, e a manutenção da qualidade do sinal. A norma USB Type-C responde a estas necessidades definindo um método de funcionamento Alt Mode, que altera dinamicamente a função dos pinos para permitir a utilização de protocolos de dados não USB. protocolos de dados.
Este documento explora as várias normas que permitem que os conectores USB Tipo C transmitam HDMI e outros formatos não USB e fornece considerações de design importantes para adicionar a funcionalidade de modo alternativo HDMI à interface USB Tipo C.
O HDMI Forum gere o funcionamento em modo alternativo para ambientes USB Type-C. A mais recente norma USB, lançada no final de 2016, é composta por três partes:
A especificação do conetor USB Tipo C faz algumas alterações significativas às versões familiares Tipo A e Tipo B. Para o observador casual, há duas caraterísticas que se destacam:
Com 8,3 mm x 2,5 mm, o Type-C é muito mais pequeno do que os conectores USB Type-A e -B, mas contém 24 pinos, em comparação com os quatro das versões anteriores.
Os conectores tipo C são reversíveis e funcionam em qualquer orientação. Por este motivo, a disposição dos pinos do conetor é simétrica; independentemente da fila que estiver no topo, todos os sinais estão na mesma posição relativa.
A especificação USB Type-C permite modos de comunicação com sistemas USB 2.0 antigos através dos pinos D+/D- e VBUS/GND. A pinagem também inclui pinos para dois outros novos recursos definidos na especificação, incluindo modos alternativos. A Figura 1 mostra o mapeamento dos modos padrão e alternativo para conectores Type-C.
Figura 1: Pinagem do conetor USB tipo C mostrando o mapeamento do modo alternativo. (Fonte: Texas Instruments)
A especificação USB Tipo 3.1 actualiza o desempenho elétrico do USB, aumentando a velocidade de dados para 10 Gbps (denominada SuperSpeed+ na especificação). Isto requer dois pares diferenciais TX e RX dedicados a dados de alta velocidade. A especificação também aumenta a capacidade de alimentação de base para 5V a 150mA.
A especificação USB Power Delivery (USB PD) define o funcionamento em modo alternativo, mas também aumenta a quantidade de energia disponível para 100W e expande consideravelmente a gama de opções de fornecimento de energia disponíveis para os projectistas. Quando utilizado com um cabo USB Tipo C ativo, o USB PD adiciona um fluxo de energia bidirecional entre os dois dispositivos; o fluxo de energia pode mesmo ser invertido em tempo real devido ao canal de comunicação transportado no pino do Canal de Configuração (CC) Tipo C.
Embora as três especificações sejam separadas, os sistemas USB compatíveis com HDMI têm de suportar as especificações Type-C e USB PD. Além disso, cada pino remapeado deve suportar a taxa de dados da sua correspondente funcionalidade HDMI 1.4.
O HDMI 1.4 tem seis canais de dados que funcionam a quatro velocidades diferentes:
HDMI Ethernet e Canal de Retorno de Áudio (HEAC): Uma comunicação de dados bidirecional de alta velocidade que suporta Ethernet 100Base-TX (100Mbps). O HEAC inclui um componente de áudio streaming que está em conformidade com a norma IEC 60958-1.
TMDS (Transition Minimised Differential Signaling): Três canais diferenciais para transmissão de vídeo e dados a alta velocidade. O HDMI 1.4 tem um débito máximo de 10,2 Gbps ou 3,4 Gb por canal.
DDC (Display Data Channel): Um canal de comunicação baseado no protocolo I2C padrão da indústria, com uma taxa padrão de 100 kbps; permite que o dispositivo de origem reconheça os formatos de áudio/vídeo suportados.
CEC (Consumer Electronics Control): permite ao utilizador controlar até 15 canais de baixa velocidade de dispositivos compatíveis. O canal está em conformidade com a norma CENELEC EN 50157-1.
O conetor HDMI Tipo A padrão é mostrado na Figura 2; a Figura 3 mostra as novas definições de pinos para o conetor USB Tipo C no modo alternativo HDMI. A implementação mapeia três pares TMDS e seus sinais de relógio para oito pinos USB TX/RX. Os dois pinos SBU agora carregam o canal HEAC e o pino CC carrega o sinal CEC de baixa velocidade. Note-se que os pares D+/D- não são afectados por esta conversão, pelo que o canal de dados USB 2.0 pode continuar a funcionar em paralelo com o HDMI.
Figura 2: O conetor HDMI tipo A tem 19 pinos, incluindo os três canais de dados de alta velocidade como um par entrançado blindado.
Figura 3: Mapeamento de pinos do HDMI no modo alternativo USB Type-C (fonte da imagem: HDMI.org)
A especificação USB PD define a sequência de eventos necessários para entrar no modo de espera. Quando um utilizador liga um cabo Type-C ativo entre duas portas USB PD, tem lugar uma série de negociações através da linha CC (Figura 4). A negociação determina se deve ser utilizado o modo USB ou alternativo e qual a norma de modo alternativo aplicável; um conjunto específico de mensagens definidas pelo fornecedor (VDM) identifica a norma a utilizar.
Figura 4: Quando uma porta USB PD reconhece pela primeira vez a presença de outra porta USB PD, ocorre uma negociação para determinar o protocolo de alimentação e o formato de dados a utilizar. (Crédito da imagem: Texas Instruments)
Embora não seja necessária para o funcionamento do HDMI, a sequência de negociação também inclui outras caraterísticas do USB PD, como o nível de potência necessário e a direção do fluxo de potência. Quando a sequência de inicialização estabelece o HDMI como o protocolo desejado, ambas as portas remapeiam os seus pinos conforme necessário e o funcionamento do HDMI Alt Mold começa.
Que componentes de hardware são necessários para adicionar HDMI a uma porta USB Type-C? A Figura 5 mostra um diagrama de blocos da porta USB PD com os componentes do modo alternativo destacados. Tenha em atenção que, mesmo que a aplicação não especifique um nível de potência USB PD, a aceitação do modo alternativo requer negociação através da linha CC, pelo que o USB PD PHY e o PD Manager têm de ser incluídos:
O dispositivo de camada física de modo alternativo (PHY) recebe as informações de vídeo da unidade de processamento gráfico de ponta (GPU) e codifica-as nas três linhas de dados diferenciais TMDS.
O Multiplexador de modo alternativo (MUX) permite alternar entre implementações HDMI AM e USB. Para aplicações HDMI, liga os sinais HDMI aos pinos corretos do conetor Type-C; para aplicações USB 3.1, liga os sinais RX/TX e troca-os de acordo com a orientação do cabo.
Figura 5: O modo de reserva via USB Type-C requer dois módulos adicionais, mostrados em verde. (Crédito da imagem: Texas Instruments)
A especificação HDMI Alt Mode é nova, pelo que os chipsets concebidos especificamente para esta aplicação ainda estão a ser desenvolvidos. No entanto, as peças do Modo Alt DisplayPort estão prontamente disponíveis e podem ser usadas com a adição de um conversor de formato HDMI. A Figura 6 mostra um diagrama de blocos de uma porta USB Type-C compatível com USB, HDMI Alt Mode e a especificação USB PD completa.
Figura 6: Diagrama de blocos da porta USB tipo C/HDMI
Dois dispositivos constituem a base do design: em primeiro lugar, o controlador autónomo USB Type-C e PD TPS65982 da Texas Instruments executa várias tarefas:
Detecta a inserção do cabo USB tipo C e a orientação da ficha.
Negoceia a função de alimentação e transmite a informação via I2C ao microcontrolador de monitorização que determina o modo de funcionamento.
Configura as definições do Modo Alt para que o multiplexer encaminhe os sinais USB ou HDMI para o destino correto.
Durante o funcionamento, o TPS65982 também gere o encaminhamento e o controlo da alimentação USB.
Em segundo lugar, o multiplexador/demultiplexador 4×6 passivo, bidirecional e de alta velocidade HD3SS460 da Texas Instruments (TI) alterna entre os modos alternativo e USB e adapta-se aos flip-flops do conetor.
O componente final é um conversor de vídeo para mudar do formato DisplayPort para o formato HDMI.
Para além dos módulos principais acima referidos, há três que merecem uma atenção especial: os dois primeiros protegem os componentes contra sobretensões eléctricas e o terceiro melhora o desempenho geral do sistema.
Uma vez que as portas USB estão ligadas ao mundo exterior, o design tem de fornecer proteção contra potenciais choques ESD quando o utilizador liga ou desliga o cabo, mas diferentes pinos requerem diferentes soluções ESD. Com taxas de dados gigabit, os projectistas têm de tomar precauções especiais para manter a integridade do sinal. Qualquer circuito adicional adicionado ao caminho de dados de alta velocidade, como os dispositivos de proteção ESD, deve acrescentar um mínimo de capacitância à linha; deve também manter a correspondência de impedância em todo o caminho do sinal, uma vez que qualquer incompatibilidade pode causar reflexões que podem aumentar a instabilidade e degradar a qualidade do sinal. Os pinos que transportam dados de baixa velocidade, como SBUs e CCs, são menos sensíveis à adição de capacitância ou incompatibilidade de impedância.
Oito pinos TX/RX transportam canais de dados de alta velocidade nos modos USB e HDMI: um canal USB 3.1 para funcionamento USB e três canais TMDS e relógios para funcionamento HDMI AM.
O dispositivo de supressão de tensão transitória (TVS) TPD4E02B04 da Texas Instruments protege os pinos de dados de alta velocidade. Trata-se de um conjunto de díodos de proteção ESD bidirecional de quatro canais com uma capacitância de E/S de apenas 0,25pF por canal e utiliza o encapsulamento USON-10 padrão da indústria e o encaminhamento de fluxo para corresponder à impedância de alinhamento.
A proteção ESD para os pinos de baixa velocidade está incluída noutro dispositivo, discutido a seguir.
O conetor USB Tipo C tem um espaçamento entre pinos de apenas 0,5 mm, o que aumenta a probabilidade de curto-circuito entre pinos em comparação com os conectores Tipo A anteriores. Os pinos adjacentes ao pino V BUS (SBU e CC) estão particularmente em risco, especialmente se a porta USB/HDMI suportar a especificação completa USB PD, que permite que o pino V BUS transporte até 22V. Esta tensão sustentada pode não só aparecer nos pinos adjacentes em caso de curto-circuito, como também pode gerar tensões de toque de até 44V em caso de curto-circuito de uma ficha quente no V BUS.
O protetor de porta USB TPD8S300 da Texas Instruments (Figura 7) fornece proteção contra sobretensão contra eventos de curto-circuito VBUS nos pinos CC e SBU e proteção contra tensão de anel. Embora estes e outros pinos não sejam tão sensíveis à capacitância adicional como os pinos de alta velocidade discutidos anteriormente, continuam a necessitar de proteção ESD. O TPD8S300 protege os pinos SBU e CC e fornece proteção ESD adicional para os dois pares USB2.0 D+/D-.
Figura 7: O diagrama de blocos do TPD8S300 mostra os FETs em série e os circuitos de controlo utilizados para proteger os pinos SBU e CC de um evento de curto-circuito VBUS, bem como quatro canais adicionais de proteção ESD. (Fonte: Texas Instruments)
A adição de componentes para proteção contra ESD e curtos-circuitos V BUS pode ter impacto nos sinais HDMI ou USB de alta velocidade: apesar dos melhores esforços dos designers, a qualidade do sinal sofre inevitavelmente à medida que viaja através da placa. Os parasitas dos pinos IC, os alinhamentos PCB e os orifícios de passagem podem degradar a qualidade do sinal antes de este atingir os pinos de saída.
A inclusão de um controlador de adaptador na cadeia de sinal antes do conetor Tipo C é uma solução económica para manter uma boa qualidade de sinal a taxas de dados elevadas. O controlador do adaptador aumenta a saída do sinal e inclui equalização linear para compensar a perda de canal. Nos sistemas USB Tipo C, pode ajudar a passar nos testes de conformidade e melhorar a interoperabilidade dos dispositivos quando utilizados com cabos de baixa qualidade ou muito longos.
O TUSB1046 da Texas Instruments combina um multiplexer de modo alternativo e um controlador de adaptador num único dispositivo. A peça inclui um controlador de adaptador linear que pode suportar taxas de dados até 8,1 Gbps por canal de modo alternativo, mais do que suficiente para os 3,4 Gbps do HDMI 1.4. Embora o TUSB1046 tenha sido originalmente concebido para utilização em DisplayPort, é agnóstico em termos de protocolo. A Figura 8 mostra uma configuração DisplayPort de quatro canais redireccionada para os três canais HDMI TMDS e o relógio TMDS.
Figura 8: Interruptor do adaptador TUSB1046 configurado para aplicações HDMI AM: O dispositivo também pode suportar USB 3.1 SuperSpeed+ em modo normal. (Fonte: Texas Instruments)
O USB Type-C é a versão mais recente da popular norma que está a tornar-se o padrão para a comunicação de dados de alta velocidade em dispositivos de consumo, como computadores portáteis e smartphones. Tirando partido da capacidade de modo alternativo do USB, o HDMI é a mais recente norma de dados de alta velocidade a lançar uma especificação que define a sua utilização num ambiente USB Type-C. Os designers podem esperar ver outras normas de vídeo populares juntarem-se à DisplayPort, Thunderbolt, MHL e HDMI na tendência do modo alternativo.
Como o HDMI é um padrão tão popular, espera-se ver chipsets de modo alternativo dedicados ao HDMI aparecerem em breve. Independentemente do módulo de circuito específico, no entanto, muitas das questões discutidas neste artigo são problemas básicos de engenharia que devem ser abordados em qualquer sistema com desempenho semelhante.
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