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USB Type-C 커넥터는 향후 많은 노트북과 스마트폰의 유일한 데이터 포트가 될 가능성이 있지만, 이러한 USB 전용 장치는 여전히 모니터나 TV와 같은 비 USB 장치에 연결해야 합니다. 단일 커넥터에서 USB와 다른 고속 포맷을 전환하는 것은 설계자에게 핀 기능 전환, ESD와 같은 외부 과도 상태로부터 보호, 신호 품질 유지 등의 과제를 안겨줍니다. USB Type-C 표준은 비 USB 데이터 프로토콜을 사용할 수 있도록 핀의 기능을 동적으로 변경하는 Alt 모드 작동 방식을 정의하여 이러한 요구를 충족합니다. 데이터 프로토콜.
이 백서에서는 USB Type-C 커넥터가 HDMI 및 기타 비 USB 포맷을 스트리밍할 수 있도록 하는 다양한 표준을 살펴보고, USB Type-C 인터페이스에 HDMI 대체 모드 기능을 추가하기 위한 주요 설계 고려 사항을 제공합니다.
HDMI 포럼은 USB Type-C 환경의 대체 모드 작동을 관리합니다.2016년 말에 발표된 최신 USB 표준은 세 부분으로 구성되어 있습니다:
USB Type-C 커넥터 사양은 익숙한 Type-A 및 Type-B 버전에 몇 가지 중요한 변화를 가져왔습니다. 일반인에게는 두 가지 특징이 눈에 띕니다:
8.3mm x 2.5mm 크기의 Type-C는 USB Type-A 및 -B 커넥터보다 훨씬 작지만 이전 버전의 4개에 비해 24개의 핀이 포함되어 있습니다.
Type-C 커넥터는 뒤집을 수 있으며 어떤 방향에서든 작동합니다. 이러한 이유로 커넥터 핀 배열은 대칭이며, 어느 열이 위에 있든 모든 신호는 동일한 상대 위치에 있습니다.
USB Type-C 사양은 D+/D- 및 VBUS/GND 핀을 통해 기존 USB 2.0 시스템과의 통신 모드를 허용합니다. 핀아웃에는 대체 모드를 포함하여 사양에 정의된 두 가지 새로운 기능에 대한 핀도 포함되어 있습니다. 그림 1은 Type-C 커넥터의 표준 및 대체 모드 매핑을 보여줍니다.
그림 1: 대체 모드 매핑을 보여주는 USB Type-C 커넥터 핀아웃. (출처: 텍사스 인스트루먼트)
USB 타입 3.1 사양은 데이터 전송 속도를 10Gbps로 높여 USB의 전기적 성능을 향상시킵니다(사양에서는 SuperSpeed+라고 함). 이를 위해서는 고속 데이터 전용의 차동 TX 및 RX 쌍이 두 개 필요합니다. 또한 이 사양은 기본 전력 용량을 150mA에서 5V로 증가시킵니다.
USB PD(USB Power Delivery) 사양은 대체 모드 작동을 정의할 뿐만 아니라 사용 가능한 전력량을 100W로 증가시키고 설계자가 사용할 수 있는 전력 공급 옵션의 범위를 크게 확장합니다. 활성 USB Type-C 케이블과 함께 사용할 경우 USB PD는 두 장치 간에 양방향 전력 흐름을 추가하며, Type-C 구성 채널(CC) 핀에 전달되는 통신 채널로 인해 전력 흐름을 실시간으로 역전시킬 수도 있습니다.
세 가지 사양은 별개이지만, HDMI 지원 USB 시스템은 Type-C와 USB PD 사양을 모두 지원해야 합니다. 또한 각 리매핑된 핀은 해당 HDMI 1.4 기능의 데이터 전송률을 지원해야 합니다.
HDMI 1.4에는 네 가지 속도로 실행되는 여섯 개의 데이터 채널이 있습니다:
HDMI 이더넷 및 오디오 리턴 채널(HEAC): 100Base-TX(100Mbps) 이더넷을 지원하는 고속 양방향 데이터 통신입니다. HEAC에는 IEC 60958-1을 준수하는 스트리밍 오디오 컴포넌트가 포함되어 있습니다.
TMDS(전환 최소화 차동 신호): 고속 비디오 및 데이터 전송을 위한 3개의 차동 채널, HDMI 1.4의 최대 처리량은 채널당 10.2Gbps 또는 3.4Gb입니다.
DDC(디스플레이 데이터 채널): 업계 표준 I2C 프로토콜을 기반으로 하는 통신 채널로, 표준 속도는 100kbps이며 소스 장치가 지원되는 오디오/비디오 형식을 인식할 수 있도록 합니다.
CEC(소비자 가전 제어): 호환되는 기기의 저속 채널을 최대 15개까지 제어할 수 있습니다. 이 채널은 CENELEC EN 50157-1을 준수합니다.
표준 HDMI Type-A 커넥터는 그림 2에 표시되어 있으며, 그림 3은 HDMI 대체 모드의 USB Type-C 커넥터에 대한 새로운 핀 정의를 보여줍니다. 이 구현은 3개의 TMDS 쌍과 해당 클럭 신호를 8개의 USB TX/RX 핀에 매핑합니다. 이제 두 개의 SBU 핀은 HEAC 채널을 전달하고 CC 핀은 저속 CEC 신호를 전달합니다. D+/D- 쌍은 이 변환의 영향을 받지 않으므로 USB 2.0 데이터 채널은 여전히 HDMI와 병렬로 실행할 수 있습니다.
그림 2: HDMI A형 커넥터에는 차폐 트위스트 페어 형태의 고속 데이터 채널 3개를 포함하여 19개의 핀이 있습니다.
그림 3: USB Type-C 대기 모드에서 HDMI용 핀 매핑(이미지 출처: HDMI.org)
USB PD 사양은 대기 모드로 전환하는 데 필요한 이벤트 순서를 정의합니다. 사용자가 두 개의 USB PD 지원 포트 사이에 활성 Type-C 케이블을 연결하면 CC 회선을 통해 일련의 협상이 진행됩니다(그림 4). 협상을 통해 USB 또는 대체 모드를 사용할지 여부와 적용되는 대체 모드 표준이 결정되며, 특정 공급업체 정의 메시지(VDM) 세트는 사용할 표준을 식별합니다.
그림 4: USB PD 지원 포트가 다른 USB PD 포트의 존재를 처음 인식하면 전원 공급 프로토콜과 사용할 데이터 형식을 결정하기 위한 협상이 진행됩니다. (이미지 제공: Texas Instruments)
HDMI 작동에는 필요하지 않지만 협상 시퀀스에는 필요한 전원 레벨 및 전원 흐름 방향과 같은 다른 USB PD 기능도 포함됩니다. 초기화 시퀀스를 통해 HDMI가 원하는 프로토콜로 설정되면 두 포트가 필요에 따라 핀을 리매핑하고 HDMI 대체 몰드 작동이 시작됩니다.
USB Type-C 포트에 HDMI를 추가하려면 어떤 하드웨어 구성 요소가 필요하나요? 그림 5는 얼터네이트 모드 구성 요소가 강조 표시된 USB PD 포트의 블록 다이어그램입니다. 애플리케이션에서 USB PD 전원 레벨을 지정하지 않더라도 대체 모드에 동의하려면 CC 라인을 통한 협상이 필요하므로 USB PD PHY 및 PD 매니저가 포함되어 있어야 합니다:
대체 모드 물리 계층 장치(PHY)는 하이엔드 그래픽 처리 장치(GPU)에서 비디오 정보를 가져와 3개의 TMDS 차등 데이터 라인에 인코딩합니다.
대체 모드 멀티플렉서(MUX)를 사용하면 HDMI AM과 USB 구현 간에 전환할 수 있습니다. HDMI 애플리케이션의 경우 HDMI 신호를 올바른 Type-C 커넥터 핀에 연결하고, USB 3.1 애플리케이션의 경우 RX/TX 신호를 연결하여 케이블 방향에 따라 전환합니다.
그림 5: USB Type-C를 통한 예비 모드에는 녹색으로 표시된 두 개의 추가 모듈이 필요합니다. (이미지 제공: 텍사스 인스트루먼트)
HDMI Alt 모드 사양은 새로운 사양이므로 이 애플리케이션을 위해 특별히 설계된 칩셋은 아직 개발 중입니다. 하지만 디스플레이포트 알트 모드 부품은 쉽게 구할 수 있으며 HDMI 포맷 변환기를 추가하여 사용할 수 있습니다. 그림 6은 USB, HDMI Alt 모드 및 전체 USB PD 사양을 지원하는 USB Type-C 포트의 블록 다이어그램을 보여줍니다.
그림 6: USB Type-C/HDMI 포트 구성도
먼저, 텍사스 인스트루먼트의 TPS65982 독립형 USB Type-C 및 PD 컨트롤러가 여러 작업을 수행하는 두 가지 장치가 설계의 기초를 형성합니다:
USB Type-C 케이블의 삽입과 플러그 방향을 감지합니다.
전원 공급 기능을 협상하고 I2C를 통해 작동 모드를 결정하는 모니터링 마이크로컨트롤러에 정보를 전달합니다.
USB 또는 HDMI 신호를 올바른 대상으로 라우팅하도록 멀티플렉서에 대한 대체 모드 설정을 구성합니다.
작동 중에 TPS65982는 USB 전원 라우팅 및 제어도 관리합니다.
둘째, 텍사스 인스트루먼트(TI)의 고속, 양방향, 패시브 4×6 멀티플렉서/디멀티플렉서는 대체 모드와 USB 모드 간에 전환하고 커넥터 플립플롭에 맞게 조정합니다.
마지막 구성 요소는 디스플레이포트에서 HDMI 형식으로 전환하기 위한 비디오 변환기입니다.
위에서 설명한 주요 모듈 외에도 특히 세 가지를 신중하게 고려해야 합니다. 처음 두 개는 전기 과전압으로부터 구성 요소를 보호하고 세 번째 모듈은 전반적인 시스템 성능을 향상시킵니다.
USB 포트는 외부와 연결되어 있기 때문에 사용자가 케이블을 꽂거나 뽑을 때 발생할 수 있는 ESD 충격으로부터 보호해야 하지만, 핀마다 다른 ESD 솔루션이 필요합니다. 기가비트 데이터 속도에서 설계자는 신호 무결성을 유지하기 위해 특별한 예방 조치를 취해야 합니다. ESD 보호 장치와 같이 고속 데이터 경로에 추가되는 모든 회로는 라인에 최소한의 커패시턴스를 추가해야 하며, 불일치로 인해 반사가 발생하여 지터를 증가시키고 신호 품질을 저하시킬 수 있으므로 신호 경로 전체에서 임피던스 정합을 유지해야 합니다. SBU 및 CC와 같이 저속 데이터를 전송하는 핀은 추가 커패시턴스 또는 임피던스 불일치에 덜 민감합니다.
8개의 TX/RX 핀은 USB 및 HDMI 모드에서 고속 데이터 채널을 전달합니다. USB 작동을 위한 USB 3.1 채널과 HDMI AM 작동을 위한 3개의 TMDS 채널 및 클록이 있습니다.
텍사스 인스트루먼트 TPD4E02B04 과도 전압 억제(TVS) 장치는 고속 데이터 핀을 보호합니다. 채널당 0.25pF의 I/O 커패시턴스를 가진 4채널 양방향 ESD 보호 다이오드 어레이로, 업계 표준 USON-10 패키지와 플로우 스루 라우팅을 사용하여 정렬 임피던스를 일치시킵니다.
저속 핀에 대한 ESD 보호는 다음에 설명하는 다른 장치에 포함되어 있습니다.
USB Type-C 커넥터는 핀 간격이 0.5mm에 불과하여 이전 Type-A 커넥터에 비해 핀 간 단락이 발생할 가능성이 높습니다. 특히 USB/HDMI 포트가 최대 22V까지 전달할 수 있는 전체 USB PD 사양을 지원하는 경우 V BUS 핀에 인접한 핀(SBU 및 CC)이 특히 위험에 노출될 수 있습니다. 이러한 지속 전압은 단락 시 인접한 핀에 나타날 수 있을 뿐만 아니라 핫플러그 단락 시 최대 44V의 링잉 전압을 발생시킬 수 있습니다(V BUS에 단락된 경우).
Texas Instruments의 TPD8S300 USB 포트 보호기(그림 7)는 CC 및 SBU 핀의 VBUS 단락 이벤트에 대한 과전압 보호와 전압 링잉에 대한 보호 기능을 제공합니다. 이러한 핀과 다른 핀은 앞서 설명한 고속 핀만큼 추가 정전 용량에 민감하지는 않지만 여전히 ESD 보호가 필요합니다. TPD8S300은 SBU 및 CC 핀을 보호하고 두 개의 USB2.0 D+/D- 쌍에 대한 추가 ESD 보호 기능을 제공합니다.
그림 7: TPD8S300 제품 구성도는 VBUS 단락 이벤트로부터 SBU 및 CC 핀을 보호하는 데 사용되는 직렬 FET 및 제어 회로와 4개의 추가 ESD 보호 채널을 보여줍니다. (출처: 텍사스 인스트루먼트)
설계자의 최선의 노력에도 불구하고 신호가 기판을 통과할 때 필연적으로 신호 품질이 저하될 수 있습니다. IC 핀 기생, PCB 정렬 및 비아 홀은 신호가 출력 핀에 도달하기 전에 신호 품질을 떨어뜨릴 수 있으며, ESD 및 V 버스 단락으로부터 보호하기 위한 부품을 추가하면 고속 HDMI 또는 USB 신호에 영향을 미칠 수 있습니다.
Type-C 커넥터 앞에 어댑터 드라이버를 신호 체인에 포함하면 높은 데이터 속도에서 우수한 신호 품질을 유지할 수 있는 비용 효율적인 솔루션입니다. 어댑터 드라이버는 신호 출력을 높이고 채널 손실을 보정하는 선형 이퀄라이제이션을 포함합니다. USB Type-C 시스템에서 품질이 낮거나 매우 긴 케이블을 사용할 때 컴플라이언스 테스트를 통과하고 디바이스 상호 운용성을 개선하는 데 도움이 될 수 있습니다.
텍사스 인스트루먼트의 TUSB1046은 대체 모드 멀티플렉서 및 어댑터 드라이버를 단일 장치에 결합합니다. 이 부품에는 대체 모드 채널당 최대 8.1Gbps의 데이터 속도를 지원할 수 있는 선형 어댑터 드라이버가 포함되어 있어 HDMI 1.4의 3.4Gbps를 충분히 지원합니다. TUSB1046은 원래 DisplayPort용으로 설계되었지만 프로토콜에 구애받지 않습니다. 그림 8은 3개의 HDMI TMDS 채널과 TMDS 클록을 위해 용도가 변경된 DisplayPort 4채널 설정을 보여줍니다.
그림 8: HDMI AM 애플리케이션용으로 구성된 TUSB1046 어댑터 스위치: 이 장치는 일반 모드에서 USB 3.1 SuperSpeed+도 지원할 수 있습니다. (출처: 텍사스 인스트루먼트)
USB Type-C는 노트북, 스마트폰 등 소비자 기기의 고속 데이터 통신 표준으로 자리 잡고 있는 인기 표준의 최신 버전입니다. USB의 대체 모드 기능을 활용하는 HDMI는 USB Type-C 환경에서의 사용을 정의하는 사양을 발표한 최신 고속 데이터 표준입니다. 디자이너는 다른 인기 있는 비디오 표준인 DisplayPort, Thunderbolt, MHL 및 HDMI가 대체 모드 트렌드에 합류할 것으로 예상할 수 있습니다.
HDMI는 매우 인기 있는 표준이므로 HDMI 전용 대체 모드 칩셋이 곧 등장할 것으로 예상됩니다. 그러나 특정 회로 모듈에 관계없이 이 문서에서 논의된 많은 문제는 유사한 성능을 가진 모든 시스템에서 해결해야 하는 기본적인 엔지니어링 문제입니다.
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