如何设计USB Type-C接口的显示器和电视机

发布日期:2021-03-09 | 点击: | 字号:

充电头网在上一期文章中为大家分享了《如何让手机的USB Type-C接口边充电边听歌》,本期继续为大家分享《如何设计USB Type-C接口的显示器和电视机》。


随着USB Type-C接口的普及,越来越多的手机和笔记本电脑都支持通过C接口输出视频。这个小巧而精密的接口,大有把传统的HDMI和DisplayPort接口取而代之的架势。特别是usb4的推出,更是为USB TYPE-C接口一统有线接口形态奠定了基础。


在这样的背景下,显示器和电视机采用USB Type-C接口就成为了必然。那么怎样来设计基于USB-C接口的显示器和电视机才能具有更好的兼容性,并通过认证呢?下面让我们来抽丝剥茧的对显示器过渡到USB Type-C接口的设计过程进行阐述。


第一种形态,单USB-C接口的便携显示器。


在USB-IF协会发布USB Type-C标准后,第一个推出该接口显示器的厂商是华硕。


图1在CES 2016上发布的全球首款USB Type-C便携式显示器


华硕没有选择在原有的台式显示器上推出首款USB Type-C显示器,而是特立独行的推出了便携式的显示器来搭配最先进的C接口。这似乎是为了完全突出USB Type-C接口既能够传输功率又能够传输视频的特性而生的一款产品,完美的诠释了一根USB Type-C线搞定所有传输的设计初衷。这个产品的功能结构图如下:


图2单USB Type-C接口显示器的结构框图


这种便携显示器,只需要一颗USB PD控制芯片,类似LDR6023M或者LDR6282即可实现功率和电源的同步传输。对于轻便的便携式显示器来说,这种技术架构最合适不过了。


第二种形态,单USB-C接口,同时具有HDMI/USB扩展和直流/交流供电的台式显示器。


这是桌面式显示器的典型形态,整个显示器通过直流圆口获得24V/3A的大功率输入,或者是交流电输入,内置大功率AC/DC变换电路。这种显示器的电源,除了为显示器自身供电外,还可以为通过USB-C接口接入到显示器手机或者笔记本电脑提供30W~40W左右的功率输出,像极了苹果具有MAGSAFE电源输出的显示器。


图3 Dell推出单USB Type-C接口显示器最大输出90W功率


Dell这款U2720QM就比较霸气了,USB Type-C接口除了可以传输4k高清视频外,还可以提供最高90W的输出功率给外接USB-C设备。这类显示器的技术架构如下图所示:


 

图4单USB-C接口台式显示器的接口控制芯片LDR6282/LDR6290/LDR6023D


从图中可以看出,USB PD主控芯片,例如LDR6282、LDR6023D、LDR6290等,都能够同时控制USB-C接口和电源模块。使得电源模块和USB-C控制模块完美配合,解决USB-C接口显示器所需要的各种复杂功能。


第三种形态,独立功能的双USB-C接口 +一个HDMI接口的显示器。


这种显示器具有双USB-C接口,但是两个口的功能不同,其中一个口是全功能的口,可以用来传输视频信号以及电源功率。另外一个口,只能够用来传输功率信号,不可用于传输视频信号。实际上相当于把显示器常用的圆形直流供电口修改为USB-C供电口。此类显示器的线路结构简单,特别适合于低成本的便携式显示器。


图5非全功能双USB-C接口显示器电路结构框图

 

第四种形态,双全功能USB-C接口+ HDMI接口的显示器(俗称双盲插USB-C显示器)。

 

这种显示器具有更为先进的技术。两个USB-C接口都是全功能的,既可以传输电源功率,又可以传输视频信号。还可以实现两个USB-C接口之间的功率互传。从任一USB-C接口输入进来的电源功率,在保留了足够的功率作为显示器自身的电源供应后,富余的功率,都可以通过另外一路USB-C接口,传输给智能设备。由于不再需要记住两个USB-C接口的区别,可以任意插入。这种USB-C显示器,又被形象的称为双盲插USB-C接口显示器。


这种显示器设计架构,既可用于便携式显示器,也可用于台式显示器。对于便携显示器市场,双全功能USB-C接口,毫无疑问是消费者的最佳选择。因为便携显示器插拔接口的操作会比较频繁,如果需要区分两个外观完全相同的接口的功能,消费者会不胜其烦。即便是对于台式显示器,考虑到未来所有电源适配器都将统一到USB-C接口,提前布局为通过USB-C接口供电,也是产品规划中非常有前瞻性的策略。

 

图6CF011XPRO双全功能USB-C接口+HDMI接口的显示器

 

显然,要实现这么复杂功能的双全功能USB-C接口显示器,内部电路也是相对比较复杂的。通过对具有这类功能的主流显示器的拆解,我们发现了实现这一功能的核心,是一颗名为LDR6282的芯片。这颗芯片能够实现对两个USB-C接口的电源和数据通路管理。完美解决双USB-C全功能实现时,各种复杂的兼容性问题。以下是LDR6282的应用电路图。


图7双全功能USB-C接口(双盲插)显示器的参考电路框图

 

第五种形态,3个USB-C接口实现画中画功能,以及USB-C视频菊花链功能。


3个USB-C接口显示器形态,目前来说还是比较罕见的。但是考虑到未来多屏互动以及显示扩展的应用,这个技术还是值得研究和开发的。我们也确实找到了一个3个USB-C接口显示器的实现方案,供需要的朋友参考。


图8三个USB-C接口的显示器设计


从结构框图我们可以看出,其实,3个USB-C接口的其中两个USB-C接口,功能与第四种形态是相同的。多出来的第三个USB-C接口非常有价值。它可以作为一个大功率的电源输入,从而让另外两个USB-C接口都可以接入智能设备,并实现画中画的功能。它也可以作为一路视频菊花链输出,进行多屏幕扩展。这种应用场景,具有非常丰富的想象空间。

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