USB Type-C接口有可能成為未來多數筆記本電腦、智能手機的唯一數據接口，但這些僅支持USB接口的設備仍必須與那些非USB接口的設備進行交互，比如顯示器、電視機等。因此，設計人員需要考慮如何在單個連接器中實現USB和其他高速接口的轉換，其中涉及到切換引腳功能、提供諸如ESD的外部瞬變保護以及維護信號質量等問題。USB Type-C標準通過定義備用模式（Alt Mode）來滿足這些需求，這種方法能夠動態地更改引腳的功能，從而支持非USB的數據傳輸協議。

本文對各類標準進行了介紹，有了這些標準，USB Type-C才能連接到HDMI或其他非USB形式的數據接口。本文中還包含將HDMI備用模式增加到USB Type-C接口時需要考慮的主要問題。

USB規范介紹

HDMI Forum于2016年底發布了USB Type-C備用模式規范，此最新版USB標準共包括以下三個部分：

USB Type-C接口規范

USB Type-C接口規范在我們所熟知的Type-A和Type-B規范基礎上進行了大幅度的修改。對于普通用戶來說，有兩點改動需要注意：

Type-C 接口尺寸為8.3mmx2.5mm，較之USB Type-A和Type-B小了很多，但卻包含24個引腳，之前的版本只有4個引腳。

Type-C接口支持正反逆插，這是因為Type-C接口采用了對稱結構，無論哪一面在上，所有的信號引腳都處在相同的相對位置上。

USB Type-C還可以通過D+/D-和VBUS/GND引腳與傳統的USB 2.0系統進行交互。其引腳布局還包括其他兩個規范中定義的新功能引腳（包括備用模式）。圖1顯示的是Type-C接口標準和備用模式引腳映射。

圖1：顯示備用模式映射的USB Type-C引腳布局（來源：Texas Instruments）

USB Type 3.1規范

USB Type 3.1規范更新了USB的電氣性能，規定數據傳輸速率可達到10Gbps（規范中稱為SuperSpeed+）。此類接口需要兩個專用的高速數據差分引腳對TX和RX，而且供電標準提升至5V/150mA。

USB供電規范

USB供電規范（USB PD）規定了備用模式下的工作方式，能夠支持最高100W的充電功率，并極大地提高了供電能力。當與USB Type-C線纜一起使用時，USB PD允許兩個設備進行雙向充電。根據Type-C配置通道（CC）引腳上的通信，甚至還可以隨時改變充電方向。

盡管這三個規范是相互獨立的，但支持HDMI的USB系統必須同時符合Type-C和USB PD規范。此外，每個重新映射的引腳必須能夠支持其對應的HDMI 1.4協議的數據傳輸速率。

HDMI 1.4數據傳輸速率

HDMI 1.4共有六個以四種不同數據速率運行的數據通道：

HDMI以太網和音頻回傳通道（HEAC）：支持100Base-TX（100Mbps）以太網的高速雙向數據通信通道。HEAC包括符合IEC 60958-1標準的流媒體音頻組件。

TMDS（最小化傳輸差分信號）：三個用于高速視頻和數據傳輸的差分通道。HDMI 1.4的最大數據吞吐率為10.2Gbps或單通道3.4Gbps。

DDC（顯示數據通道）：基于行業標準I2C協議的通信通道，標準速率為100 Kbps，能夠讓源設備識別支持的音頻/視頻格式。

CEC（消費端電子控制）：為低速數據通道，允許用戶控制多達15個兼容設備。此數據通道符合CENELEC EN 50157-1規范。

HDMI引腳映射

標準HDMI Type-A接口如圖2所示。圖3顯示的是支持HDMI備用模式的全新USB Type-C接口引腳定義，它將三個TMDS引腳對及其時鐘信號映射到八個USB TX/RX引腳上，兩個SBU引腳連接HEAC通道，CC引腳則用于傳輸低速CEC信號。另外還需注意，D+/D-引腳對并不會受此轉換影響，因此USB 2.0數據通道可以和HDMI和平共處。

圖2：HDMI Type-A接口共有19個引腳，其中有三個高速數據通道用作屏蔽雙絞線（來源：How Stuff Works.COM）

圖3：USB Type-C備用模式接口中HDMI模式下的引腳映射（來源：HDMI.org）

初始化HDMI備用模式

USB PD規范定義了進入備用模式所需的操作順序。當用戶在兩個USB PD端口之間連接一個主動Type-C線纜時，會在CC通道上執行一系列協商（圖4），來確定是采用USB模式還是備用模式，以及應用哪種備用模式標準，并使用一組特定的供應商定義消息（VDM）來確定要使用的標準。

圖4：當USB PD端口首次識別出另一個USB PD端口的存在時就會進行協商，從而確定采用哪種傳輸協議及數據格式（來源：Texas Instruments）

該協商過程中還涉及其他USB PD功能，比如確定所需的功率級別以及電力傳輸方向，但HDMI操作并不需要這些功能。一旦初始化序列確定了HDMI為所需協議，這兩個端口就會根據需要重新映射引腳，進入HDMI備用模式。

HDMI備用模式架構

若要USB Type-C接口支持HDMI，需要增加哪些硬件組件呢？圖5顯示的是USB PD接口的結構圖，并標出了備用模式的必備組件。請注意，即使應用沒有指定USB PD接口的功率級別，啟用備用模式也需要通過CC線路進行協商，因此必須包含USB PD PHY和PD管理器：

備用模式物理層設備（PHY）接收高端圖形處理單元（GPU）的視頻信息，并對其進行編碼以通過三個TMDS差分數據線路傳輸。

備用模式多路復用器（MUX）支持在HDMI備用模式和USB兩種模式之間進行切換。對于HDMI應用，它將HDMI信號傳輸給相應的Type-C接口引腳；對于USB 3.1應用，它連接的是RX/TX信號，并根據數據傳輸方向進行切換。

圖5：通過USB Type-C接口實現備用模式需要兩個額外的模塊，如圖中綠色部分所示（來源：Texas Instruments）

實際實現方法

HDMI 備用模式規范是全新的，因此專門為這類應用而設計的芯片組仍然還處于開發階段。不過目前已經推出了DisplayPort備用模式元件，并可與HDMI轉換器配合使用。圖6顯示的是同時支持USB、HDMI備用模式以及完整USB PD規范的USB Type-C端口框圖。

圖6：USB Type-C/HDMI端口框圖

此設計由下面兩款基礎元件構成：

第一款是Texas Instruments的TPS65982獨立式USB Type-C和PD控制器，用于執行以下多項任務：

檢測USB Type-C線纜的插入狀態與插頭方向

協商供電特性，并通過I2C協議將信息傳遞給微控制器單元，從而決定采用哪種操作模式

配置多路復用器的備用模式設置，將USB或HDMI信號傳送給相應的目標設備

在運行期間，TPS65982還會對USB供電路徑進行管理和控制

第二款是Texas Instruments的HD3SS460是一款4x6通道的高速雙向無源多路復用器/解復用器開關，可以在備用模式和USB模式間切換，同時支持接口翻轉。

此外，還有一個視頻轉換器，用于將DisplayPort信號轉換為HDMI格式。