TW201804737A - C型通用序列匯流排切換電路 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種C型通用序列匯流排切換電路，係適用於配置一C型通用序列匯流排連接器接頭之複數個訊號，而能滿足顯示埠替代模式產品之應用。其包含複數個訊號接收器/發送器、複數個串列-並列轉換電路及多工器。複數個訊號接收器/發送器與C型通用序列匯流排連接器接頭連接，經配置以接收/發送複數個訊號。複數個串列-並列轉換電路分別連接複數個訊號接收器/發送器，經配置以將複數個訊號在並列訊號及串列訊號之間轉換。多工器連接於複數個串列-並列轉換電路，其經配置以根據一控制訊號分配並列領域之複數個訊號。

Description

C型通用序列匯流排切換電路
本發明的目的在使用C型通用序列匯流排(USB Type-C)之接頭的條件下，能不需要外部之接口切換器(Port controller/Port Mux)，而具備同樣的訊號配置之功能，因無外部接口切換器而能達優化訊號完整度性能、減少系統成本、微小化產品之目標。
現行市場上之USB Type-C產品之基本要求為能支援正反插之功能，以及在USB TYPE-C顯示埠替代模式(DisplayPort Alternate Mode on USB TYPE-C)應用下要能同時傳輸USB3.x訊號以及顯示埠(DisplayPort)之訊號，為了達成上述目標，通常採用一外掛之接口切換器(Port Switch/Port Mux)來達到規格及應用上之需求，參考如第2圖所示，圖中之接口控制器便是對應之功能。
此接口切換器主要是用來進行USB/DisplayPort之高速訊號之訊號路徑配置。當USB Type-C插頭接上後，系統可透過USB Type-C規格及接頭對應配置而得到插頭(Plug)與插座(Receptacle)之相對資訊而知道其為正插或者反插時，相關細節規格及判斷方式可於USB Type-C規格中了解，此處不再贅述。惟因正插及反插會影響到訊號之重新配置，故需要一額外之接口切換器來滿足相關應用。
但此額外之接口切換器等效上會在訊號之傳輸路徑上貢獻額外之損耗，除了入射損耗(insertion loss)外、還有因為阻抗不匹配而造成的迴返損耗(return loss)，這些訊號衰減及訊號反射等非理想效應已嚴重影響到高速訊號如DisplayPort1.x/USB3.x等訊號完整度品質。像這些高速傳輸界面訊號之傳輸速度越來越高的現在，USB3.1已到10Gbs之等級，受到這些非理想效應之影響也越來越大，這除了對晶片設計者有著極為嚴苛的挑戰外，更是直接造成使用者使用體驗不佳的一大因素，然這是現行產品無法避免之問題。
進一步考量到具有USB接口之相關產品，其微小化的趨勢一直是極重要之市場化因子，現在市面上所具有之USB Type-C產品，其接口切換器的存在便讓產品的印刷電路板上存在著兩顆以上的晶片，一顆是接口切換器，另一顆則原本之應用(如USB Hub)，此接口切換器的存在便會讓產品微小化的存在著個極限，無法讓產品進一步縮小，印刷電路板上的晶片越多，印刷電路板所需空間自然就越大。
綜上所述，現行之USB TYPE-C接口控制器雖滿足了產品需求相關應用，但其造成之問題仍無法有效被避免及處理。因此急需一種可取代接口控制器之技術，在達到省去外掛之接口控制器之目標之同時，除可改善現先產品之性能外，進一步可減少系統成本、縮小印刷電路板之面積以突破傳統上之產品限制。
為了解決上述問題，本發明之目的在於提供一種C型通用序列匯流排切換電路，係適用於配置一C型通用序列匯流排連接器接頭之複數個訊號，而能滿足顯示埠替代模式產品之應用，其包含複數個訊號接收器/發送器、複數個串列-並列轉換電路及多工器。複數個訊號接收器/發送器與C型通用序列匯流排連接器接頭連接，經配置以接收/發送複數個訊號。複數個串列-並列轉換電路分別連接複數個訊號接收器/發送器，經配置以將複數個訊號在並列訊號及串列訊號之間轉換。多工器連接於複數個串列-並列轉換電路，其經配置以根據一控制訊號分配並列領域之複數個訊號。
在本發明的C型通用序列匯流排切換電路中，藉由在晶片內部實現訊號路徑配置之方式，不於晶片外部處於串列領域修正訊號路徑，改讓訊號直接進到晶片中後，在並列訊號之領域才進行訊號路徑配置，而能得到等效於存在外部接口切換器於串列領域進行路徑配置之功能，並達到省去外掛之接口控制器之目標；除可改善現先產品之性能外，進一步可減少系統成本、縮小印刷電路板之面積以突破傳統上之產品限制。此外，還可藉由將訊號路徑配置切換之點由串列端改到轉出並列訊號後才進行切換之方式，由於所處理的訊號之並列速度遠低於串列，在實現上便可降低訊號處理難度，更可進一步而能簡化串列訊號開關之設計，以減少成本。
為利 貴審查員瞭解本發明之技術特徵、內容與優點及其所能達成之功效，茲將本發明配合附圖，並以實施例之表達形式詳細說明如下，而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，未必為本發明實施後之真實比例與精準配置，故不應就所附之圖式的比例與配置關係解讀、侷限本發明於實際實施上的權利範圍，合先敘明。
於此使用，詞彙“與/或”包含一或多個相關條列項目之任何或所有組合。當“至少其一”之敘述前綴於一元件清單前時，係修飾整個清單元件而非修飾清單中之個別元件。
以下將根據附圖說明本發明的C型通用序列匯流排切換電路的實施例。請參考第1圖，其為根據本發明的C型通用序列匯流排切換電路之實施例繪示之方塊圖。如圖所示，本發明之USB TYPE-C切換電路1，係適用於USB Type-C連接器之相關應用，其包含複數個訊號接收器/發送器102、103、104、105及106，路徑切換電路101、多工器MUX 100、複數個串列-並列轉換電路107、108、109、110及111。複數個訊號接收器/發送器102、103、104、105及106係設置在USB Type-C連接器接頭CON及DisplayPort訊號端ML0-ML3、USB接收端/傳送端 (RX/TX)及USB傳送端/接收端 (TX/RX)之間，以能相對於USB Type-C連接器接頭CON接收/發送複數個資料訊號，其中USB Type-C連接器接頭CON具有腳位Lane0、Lane1、Lane2及Lane3。複數個串列-並列轉換電路107、108、109、110及111連接於複數個訊號接收器/發送器102、103、104、105及106，並且將複數個資料訊號在並列領域及串列領域之間轉換。
續言之，路徑切換電路101係連接於USB Type-C連接器接頭CON及複數個訊號接收器/發送器104、105、及106之間，較佳者，根據本發明的實施例，其經配置使訊號接收器/發送器106可選擇的連接於USB Type-C連接器接頭腳位Lane2及Lane3。多工器MUX 100設置於複數個串列-並列轉換電路107、108、109、110及複數個顯示埠(DisplayPort)訊號端ML0-ML3、USB接收端/傳送端 (RX/TX)之間，且負責配置其間之訊號。
具體而言，本發明之主要精神在於如何由晶片內部實現訊號路徑配置之方式，原先訊號切換是由外部接口切換器在串列之高速領域來做，改由此發明所提出之改於晶片內部之並列訊號之相對低速領域來處理。請參考第2圖，係為習知之USB Type-C接口控制器之訊號配置示意圖。如圖所示，接口控制器之位置在從接頭跟對應系統應用晶片中間，此發明改為不於晶片外部修正訊號路徑，改讓訊號直接進到晶片後，在晶片內部再進行訊號路徑配置，而能得到等效於存在外部接口切換器之功能。
在USB Type -C顯示埠替代模式(DisplayPort Alternate Mode on USB TYPE-C)之應用下，SINK端亦稱為上行資料流程埠(Upstream facing Port, UFP)，SOURCE端亦稱為下行資料流程埠(Downstream facing Port/DFP)。不管是屬於SOURCE端或者SINK端，USB與DisplayPort在系統中路徑配置之可能如第3圖所示，其中，USB Type-C連接器接頭腳位Lane0 ~ Lane3分別為USB TYPE-C規格所定義的腳位A10-A11、B10-B11、A2-A3、及B2-B3，用於傳送差動訊號。透過USB Type-C連接器接頭腳位Lane0 ~ Lane3進入之訊號具有多種可能性，USB訊號需對應至USB接收端RX/USB傳送端TX，DisplayPort訊號需對應至DisplayPort訊號端ML0/ML1/ML2/ML3。這時若是以外部接口切換器來實現此功能，路徑將會極其複雜，至少需要4轉6之多工器才能做到完整的路徑配置，目前習知技術是以在接頭與SOURCE端晶片之間，或接頭與SINK端晶片之間設置接口控制晶片來達成，然而接口控制器的設置會造成額外之非理想效應及損耗。
根據本發明的USB Type-C控制電路的實施例，為了省去外部的接口控制器，又能正常接收所有由接頭傳過來之訊號，C型通用序列匯流排切換電路至少要有4對輸入訊號，其中，USB Type-C連接器接頭CON於SINK端及SOURCE端之訊號腳位可能對應之訊號組合，進一步整理如下表一所示：
表一、晶片腳位可能之組合
如上表所述，此時對於相同的訊號腳位而言，訊號除了規格轉換外，還有可能訊號傳輸方向的變換，例如，USB訊號與DisplayPort之訊號之間的轉換涉及規格的轉換，而USB接收端RX訊號及USB傳送端TX訊號之間的轉換則涉及訊號傳輸方向的變換。然而，在高速訊號的傳遞上，目前市面上接口切換器都是因為處理於串列上之高頻訊號才讓困難度極高，其負責工作除了要切換路徑外、同步要降低損耗、及減少各種非理想效應如串音(Crosstalk)，要滿足合適的規格在設計上是極大的挑戰。為解決這個問題，本發明將訊號路徑配置切換點由串列端改到轉出並列訊號後才進行切換，因此以下先對本發明之並列(Parallel)及串列(Serial)訊號轉換進行說明。
請參考第3圖，其為並列(Parallel)及串列(Serial)訊號轉換之示意圖。如圖所示，對於一般訊號收發器而言，通常具有如圖所示之配置。以USB傳送端TX來說，會先將並列(Parallel)訊號轉成串列(Serial) 訊號後，再由傳送器送出，而USB接收端RX則先由接收器先將資料收下後，再將串列(Serial)訊號轉成並列(Parallel)訊號。串列與並列主要是速度及位元寬度(Bit width)的差異，根據第3圖的示例，串列的速度為並列時的5倍，但並列的位元寬度(Bit width)會成串列的5倍以滿足資料流量。一般而言，並列降速不以本示例中的五分之一為限。
請參考第4A圖，其為根據本發明之C型通用序列匯流排切換電路在SINK端繪示之電路布局圖。在此，首先根據本發明之C型通用序列匯流排切換電路2在SINK端之應用例來說明本發明之概念，如第4A圖所示，圖中當DisplayPort輸入訊號/USB 接收端RX訊號由USB Type-C連接器接頭CON之腳位Lane0/Lane1進到晶片後，根據表一中列舉之所有的可能性，由於腳位lane0/lane1都是RX結構，不管是USB/DisplayPort之規格，雖存在傳輸速度之差異，但可分別藉由訊號接收器202、203、204及205之合適設計接下對應訊號，接收器接下後經過串列-並列轉換電路207、208、209及210串列轉並列(serial to parallel)後，訊號速度下降，之後可由多工器MUX來處理做訊號路徑的切換。此時，由於高頻訊號已由串列轉成並列，對於路徑切換上不易造成損耗，且可適用DisplayPort之影像訊號或USB接收端RX訊號。
如表一所示，在SINK端對於腳位lane2/lane3而言，存在USB傳送端TX 訊號/ DisplayPort輸入訊號的可能性，為此，路徑切換電路可包含兩個1對2的開關SW1及SW2來切換路徑，當訊號為DisplayPort輸入訊號時，令此訊號經過接收器204或205，並將訊號由串列改成並列後，進入USB Type-C切換電路2之DisplayPort訊號端。若訊號為USB傳送端TX訊號，則此訊號先由串列-並列轉換電路211將並列轉成串列，再由訊號發送器206送出，經路徑切換電路將此訊號切換至腳位lane2/lane3。依照本發明提供之C型通用序列匯流排切換電路之架構，便不需要額外的接口控制器介於晶片及接頭之間，且依然能保有USB Type-C之顯示埠替代模式(DisplayPort Alternate mode)的所有路徑切換之可能性。
根據上述實施例，其相較於習知接口切換器而言，優點在於將路徑切換的點由串列改到並列上，速度降低後大幅化減電路設計之難度，同時因為無外部接口切換器存在，藉由減少一級多工器造成的損耗，可讓訊號完整度更佳，且由於無外掛接口切換器存在於印刷電路版上，可進一步降低印刷電路版之尺寸，也附加的減少了系統及晶片之成本。
上述的方式是指SINK端之可能方式，反之，於SOURCE端也可反向進行。如第4B圖所示，對SOURCE端而言，訊號方向與SINK端相反。對Lane2/Lane3而言，DisplayPort輸出訊號/USB 傳送端TX訊號首先經過多工器MUX進行路徑切換之配置，待路徑配置完成後，透過並列轉串列之電路將訊號由並列訊號轉換為串列訊號，再藉由訊號發送器307、308、309及310輸出。與前述實施例類似的， 在SOURCE端，Lane0/Lane1同時可能有DisplayPort輸出訊號/USB 接收端RX訊號之應用時，以路徑切換電路(1對2的開關SW1及SW2)來進行切換，經路徑切換電路將此訊號切換至腳位lane2/lane3，此訊號先由訊號接收器306接收，由串列-並列轉換電路311將串列轉成並列，再由USB接收端接收RX訊號，類似的，可省去外部之接口控制器，其亦為此發明概念之應用。值得注意的是，本發明應用在僅有DisplayPort訊號而無USB訊號的實施例時，前述路徑切換電路可予以省略。
請參考第5A-5B圖，其分別為根據本發明之C型通用序列匯流排路徑切換電路之部份可能電路布局圖。如圖所示，前述實施例中之路徑切換電路可包含一對二之開關SW1及SW2，具體而言，開關SW1及SW2可由兩對電晶體來達成，並且如圖所示，接收控制訊號A以及反向控制訊號Ā以選擇第一輸出端及第二輸出端，且對於第一輸出端及第二輸出端導通狀態為互斥的。
綜上所述，在本發明的USB Type-C控制電路及其訊號配置方法中，藉由在晶片內部實現訊號路徑配置之方式，不於晶片外部修正訊號路徑，改讓訊號直接進到晶片中後，在晶片內部再進行訊號路徑配置，而能得到等效於存在外部接口切換器之功能，達到省去外掛之接口控制器之目標；除可改善傳統產品之性能外，進一步可減少系統成本、縮小印刷電路板之面積以突破傳統上之產品限制。此外，還可藉由將訊號路徑配置切換之點由串列端改到轉出並列訊號後才(由多工器MUX)進行切換之方式，由於所處理的訊號之並列速度遠低於串列，在實現上便可降低訊號處理難度，更可進一步而能簡化串列訊號開關之設計，以減少成本。
1‧‧‧C型通用序列匯流排切換電路
102、103、104、105及106‧‧‧訊號接收器/發送器
101‧‧‧路徑切換電路
107、108、109、110、111、207、208、209、210、211、307、308、309、310及311‧‧‧串列-並列轉換電路
202、203、204、205及306‧‧‧訊號接收器
207、307、308、309及310‧‧‧訊號發送器
CON‧‧‧USB Type-C連接器接頭
ML0-ML3‧‧‧DisplayPort訊號端
Lane0-Lane3‧‧‧USB
Type-C連接器接頭腳位
A‧‧‧控制訊號
Ā‧‧‧反向控制訊號
RX‧‧‧USB接收端
TX‧‧‧USB傳送端
SW1、SW2‧‧‧開關
本發明之上述及其他特徵及優勢將藉由參照附圖詳細說明其例示性實施例而變得更顯而易知，其中：
第1圖係為根據本發明的C型通用序列匯流排切換電路之實施例繪示之方塊圖。
第2圖係為習知之C型通用序列匯流排接口控制器之訊號配置示意圖。
第3圖係為並列(Parallel)及串列(Serial)訊號轉換之示意圖。
第4A-4B圖係分別為根據本發明之C型通用序列匯流排切換電路在SINK端及SOURCE端繪示之電路布局圖。
第5A-5B圖係分別為根據本發明之C型通用序列匯流排路徑切換電路之部份電路布局圖。
1‧‧‧USB TYPE-C控制電路
102、103、104、105及106‧‧‧訊號接收器/發送器
107、108、109、110及111‧‧‧串列-並列轉換電路
101‧‧‧路徑切換電路
100‧‧‧多工器
CON‧‧‧USB Type-C連接器接頭
ML0-ML3‧‧‧DisplayPort訊號端
Lane0-Lane3‧‧‧USB Type-C連接器接頭腳位
RX‧‧‧USB接收端
TX‧‧‧USB傳送端

Claims (10)

  1. 一種C型通用序列匯流排切換電路，係適用於配置一C型通用序列匯流排接頭之複數個訊號，其包含： 複數個訊號接收器/發送器，與C型通用序列匯流排連接器接頭連接，經配置以接收/發送複數個訊號； 複數個串列-並列轉換電路，係分別連接於該複數個訊號接收器/發送器，經配置以將該複數個訊號在一並列領域及一串列領域之間轉換；以及 一多工器，連接於該複數個串列-並列轉換電路，其經配置以根據一控制訊號分配該並列領域之訊號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之C型通用序列匯流排切換電路，其中該多工器係進一步連接於複數個顯示埠(DisplayPort)訊號端及USB傳送端/接收端，以相對該複數個顯示埠(DisplayPort)訊號端及該USB傳送端/接收端分配該並列領域之訊號。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之C型通用序列匯流排切換電路，其進一步包含一路徑切換電路，係連接於該複數個訊號接收器/發送器及該USB Type-C連接器接頭之間，經配置以使該複數個訊號接收器/發送器可選擇的在其間接收/發送訊號。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之C型通用序列匯流排切換電路，其中該路徑切換電路係包含複數個一對二之開關。
  5. 一種C型通用序列匯流排切換電路，係適用於在一SINK端模式下配置一C型通用序列匯流排接頭之複數個訊號，其包含： 複數個訊號接收器，與C型通用序列匯流排連接器接頭連接，經配置以接收複數個訊號； 一訊號發送器，與C型通用序列匯流排連接器接頭連接，經配置以發送訊號； 複數個串列-並列轉換電路，係分別連接於該複數個訊號接收器及該訊號發送器，經配置以將該複數個訊號在並列訊號及串列訊號之間轉換；以及 一多工器，連接於該複數個串列-並列轉換電路，其經配置以根據一控制訊號分配該並列領域之該複數個資料訊號。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之C型通用序列匯流排切換電路，其中該多工器係進一步連接於複數個顯示埠(DisplayPort)訊號端及USB接收端，以相對該複數個顯示埠(DisplayPort)訊號端及該USB接收端分配該並列領域之訊號。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之C型通用序列匯流排切換電路，其進一步包含一路徑切換電路，係連接於該複數個訊號接收器、該訊號發送器及該USB Type-C連接器接頭之間，經配置以使該複數個訊號接收器及該訊號發送器可選擇的在其間接收及發送訊號。
  8. 一種C型通用序列匯流排切換電路，係適用於在一SOURCE端模式下配置一C型通用序列匯流排接頭之複數個訊號，其包含： 複數個訊號發送器，與C型通用序列匯流排連接器接頭連接，經配置以發送複數個訊號； 一訊號接收器，與C型通用序列匯流排連接器接頭連接，經配置以接收訊號； 複數個串列-並列轉換電路，係分別連接於該複數個訊號發送器及該訊號接收器，經配置以將該複數個訊號在並列訊號及串列訊號之間轉換；以及 一多工器，連接於該複數個串列-並列轉換電路，其經配置以根據一控制訊號分配該並列領域之該複數個資料訊號。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之C型通用序列匯流排切換電路，其中該多工器係進一步連接於複數個顯示埠(DisplayPort)訊號端及USB傳送端，以相對該複數個顯示埠(DisplayPort)訊號端及該USB傳送端分配該並列領域之訊號。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之C型通用序列匯流排切換電路，其進一步包含一路徑切換電路，係連接於該複數個訊號發送器、該訊號接收器及該USB Type-C連接器接頭之間，經配置以使該複數個訊號發送器及該訊號接收器可選擇的在其間發送及接收訊號。
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