USBType-Cポートの実装の課題と設計ソリューション

1.1から3.2以降のUSB

1996年に最初に発売されたユニバーサルシリアルバス（USB）は、複数の異なるタイプの接続の役割を統合し、コンピューティングおよびコンシューマーテクノロジー製品に広く普及しています。その登場により、キーボード、マウス、プリンター、カメラ、外付けドライブなどの複数の周辺機器をコンピューターに簡単かつ便利に接続できるようになりました。周辺機器はインターフェースによって定義されなくなり、ユーザーは使用したいデバイスを接続するために複数のケーブルタイプを扱う必要がなくなりました。

USB 1.1では、最大12Mbpsのデータレートが可能でした。 USB 2.0は、ビデオのストリーミングや外部デバイスからPCハードドライブへのデータの迅速な転送など、幅広い役割を処理するために、基準を480Mbpsに引き上げました。 USBインターフェースは、指定されたVBUSおよびアースピンを介して5V DCで最大2.5Wを供給することにより、ユーザーが外部ドライブなどの小型デバイスに電力を供給したり、追加の電源接続なしでラップトップや携帯電話を充電したりすることもできました。 2007年、スマートフォン業界は、標準のUSB Type-Aコンセントからの充電を可能にし、専用の充電器の廃棄による電気廃棄物の負担を回避するために、携帯電話用のUSB充電インターフェースを義務付けました。

今日の消費者のトレンドでは、コンテンツをますます大きな画面サイズにキャストしたり、高速マルチギガビットストレージドライブとデータを交換したりする必要があるストリーミングHDや4KウルトラHDビデオシステムなど、スマート製品の組み込みシステムにさらに多くの相互接続帯域幅が求められています。 6GbpsのHDMI、8.1GbpsのDisplayPort、20GbpsのThunderboltなどの新しい規格が登場し、増大する需要に対応しました。

USBのユニバーサルクラウンを維持するために、USB Implementer's Forum（USB-IF）は最初にUSB 3.2仕様を導入しました。これは、USB 3.2 Gen1（5Gbps）、USB 3.2 Gen2（10Gbps）、およびUSB 3.2 Gen2x2（20Gbpsはデュアルを活用）の3つの転送速度を識別します。レーン物理インターフェース）。これらは、SuperSpeed USB 5Gbps、SuperSpeed USB 10Gbps、およびSuperSpeed USB20Gbpsとして消費者に販売されています。

最近では、USB4は20Gbps（USB4 20Gbps）および40Gbps（USB4 40Gbps）の転送速度をサポートするように指定されています。 USB 3.2、USB 2.0、およびThunderbolt 3との下位互換性により、USB4は、複数のプロトコルを同じ物理インターフェイスで組み合わせてUSB4ファブリックの全体的な速度とパフォーマンスを共有できるコネクション型トンネリングアーキテクチャなどの変更を導入します。

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物理接続のアップグレード

新しいデュアルレーン高速仕様をサポートすると同時に、レガシーUSB 2.0機器との下位互換性を確保するには、新しい物理インターフェイスが必要です。 USB Type-C（USB-C）インターフェイスには、2セットの差動データチャネルと並列で動作するUSB​​ 2.0バスの接続が追加されているだけでなく、USB Power Delivery（USB PD）仕様をサポートする機能も追加されています。これらの機能には、2セットの電源ピンと接地ピン、および接続されたデバイスが電力消費要求とレガシーUSB 2.05Vから最新の20V / 5A仕様までの電源機能をネゴシエートできる通信チャネルが含まれます。将来のパフォーマンスの向上と新機能を可能にするために、追加のサイドバンド使用（SBU）も含まれています。

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図1.USB-Cコネクタピン（出典：Diodes Inc。）

USB-Cは、ユーザーの観点からデバイスの接続を簡素化します。コネクタは無極性であるため、ケーブルをどちらの方向にも挿入できます。したがって、USB-Cコネクタには24個のピンがあり、USB 3.2、USB4、およびUSB Power Delivery（PD）をサポートするために必要な多数の電源およびデータ接続に対応し、図に示すようにUSB2.0との下位互換性を実現します。図1。

さらに、インターフェースは双方向であるため、ケーブルの両端に同じコネクタがあり、接続されたデバイスがホストまたはデバイスとして、あるいは電力消費者または供給者として機能することができます。

USB-Cの実装

この追加の柔軟性と追加のピンの需要により、USB-Cインターフェースは以前のインターフェースよりもかなり複雑になっています。接続されたデバイスは、ダウンストリームに面したポート（DFPまたはソース）、アップストリームに面したポート（UFPまたはシンク）、またはデータと電力のソースとシンクの両方が可能なデュアルロールポート（DRP）に分類できます。いずれの場合も、構成制御を処理するにはロジックが必要です。また、ケーブルのプラグインの向きを検出し、USB3.2やDisplayPortなどの信号をUSB-Cコネクタに正しく切り替える必要があります。さらに、USB 2.0信号の多重化、電源切り替え、充電制御、そしてもちろん、シグナルインテグリティと過渡電圧保護の準備が必要です。

ノートブックPCやタブレットなどのデバイスには、図2に示すように、USB3.2とマルチメディアデータおよびUSBPD機能を処理できる完全に機能するUSB​​-Cインターフェースを提供する回路を含めることができます。

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図2.USB3.2マルチメディアとUSBPDをサポートするUSB​​-Cインターフェース（出典：Diodes Inc。）

図2に示すダイオードPI3USB31532などの双方向マトリックススイッチは、USB 3.2 Gen2（シングルレーン、10Gbps SuperSpeed +）および/または最大4チャンネルのDisplayPort1.4信号と補助チャンネルを多重化できる完全に統合されたソリューションを提供します。 USB-Cコネクタ。このスイッチは、挿入損失が低く、8.3GHzの広い-3dB帯域幅で設計されており、最大10Gbpsで信号の忠実度を確保します。

上記のPI5USB31532機能のサポートに加えて、6チャネル4レーンPI3DPX1205A1などのアクティブマルチプレクサを使用できます。このマルチプレクサには、長距離を走行するためのReDriver機能が組み込まれています。フラットゲインとイコライゼーションのための受信側の線形イコライゼーションと出力設定を含む機能により、同等のCMOSリドライバーの2倍のシグナルインテグリティが保証されます。

USB Power Delivery機能はPDコントローラーを介して実行され、USB Type-Cコネクタを介して最大100Wの電力を供給できるほか、USBType-Cインターフェイスを介してDPやThunderboltなどのマルチメディアデータの代替モードを有効にします。

PI5USB2546Aなどのデバイスは、充電ポート制御と2.4A電源スイッチ、およびUSB 2.0 D +とD-データラインの切り替えを統合しています。この部品は、ダウンストリームポート（CDP）および専用充電ポート（DCP）モードの充電を含む、USBバッテリー充電1.2仕様をサポートし、壁充電アダプター、ホストおよびハブデバイスで使用できます。

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図3.スマートフォンへのUSB-Cの実装（出典：Diodes Inc。）

図3は、スマートフォンに適したUSB-Cポートの実装を示しています。この回路は、ダイオードPI5USB31213Aの例を使用しています。これは、USBType-C構成チャネルコントローラー機能とUSB3.2 Gen2 10Gbps多重化機能を組み込んで、無極性USBType-Cコネクターへの適切なデータを可能にします。デバイスは、CCピンで検出された電圧レベルに基づいて、ホストモード、デバイスモード、またはデュアルロールポートの自動構成を処理します。また、コネクタの向きを検出し、USBType-Cインターフェイスを介して充電電流をネゴシエートします。あるいは、PI3EQX10312などのデバイスを使用することもできます。これには、PI5USB31213Aに含まれるすべての機能が含まれていますが、唯一の変更点は、より長いトレース距離を駆動できるようにするReDriverが含まれていることです。

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図4.USB-Cドック（出典：Diodes Inc。）

最後の例として、図4は、単一のUSB Type-Cポートを介してアップストリームホストに接続し、モニターや外部などのダウンストリームデバイスにDisplayPort、HDMI、VGA、および複数のUSB3.2出力ポートを提供するユニバーサルドッキングステーションを示しています。ストレージ。また、ギガビットイーサネットLANポートも提供します。ここでは、PI3USB31532 USBType-CクロスバースイッチやPI3DPX1205A1USB 3.2 Gen 2 / DisplayPort 1.4アクティブクロスバーなどのデバイスを使用して、USB3.2およびDisplayPortスイッチングを処理できます。図に示されている電源スイッチを使用すると、ドックはVBUSピンを介してホストコンピューターに電力を供給できます。 DPスイッチ（PI3WVR31310Aなど）からの出力は、DPコネクタに直接送られるか、HDMIまたはVGAコンバータを介してHDMIおよびVGAコネクタに送られます。

結論

機器設計者は、最大100Wでの電力供給、USB 3.2およびUSB4データレート、マルチプロトコルサポートなど、最新のUSB電力およびデータ機能を最大限に活用するために、USB-Cポートの複雑さに立ち向かう必要があります。データスイッチング、電源スイッチング、充電制御、ケーブル方向検出を処理するためのさまざまな統合ソリューションが利用可能であり、設計を簡素化し、製品認証を容易にし、ボードスペースと部品表のコストを節約します。