USB-Cのピン配置と機能のガイド

この紹介記事では、USB-C標準の最も重要な機能のいくつかについて説明します。

USB Type-Cコネクタの使い方を知っていますか？この記事では、USB Type-Cピン配列の構造を説明し、さまざまなモードについて簡単に触れます。

USB Type-Cは、スマートフォンやモバイルデバイスで人気が高まっているUSBコネクタシステムの仕様であり、電力供給とデータ送信の両方が可能です。

USBの前身とは異なり、フリップ可能であるため、プラグを差し込むのに3回試す必要はありません。

USBType-Cポート。 DenysVitaliの画像提供

この紹介記事では、USB-C標準の最も重要な機能のいくつかを見ていきます。ピン配列に飛び込んでそれぞれの機能を説明する前に、USB-Cとは何か、そしてUSB-Cが何が得意かを簡単に説明します。

USB-Cとは何ですか？

USB-Cは、最大100Wのパワーフロー機能とともに最大10Gb / sの高速データ転送を提供することを目的とした比較的新しい規格です。これらの機能により、USB-Cは最新のデバイスの真のユニバーサル接続標準になります。

USB-CまたはUSBType-C？

これらの2つの用語は一般的に交換可能です（この記事全体で両方を使用します）。 USB-Cがより一般的に使用されていますが、USBType-CはUSB.orgにリストされている規格の正式名称です。

USB-Cの機能

USB-Cインターフェースには3つの主な機能があります：

• フリップ可能なコネクタがあります。インターフェースは、プラグがレセプタクルに対して反転できるように設計されています。
• USB 2.0、USB 3.0、およびUSB 3.1 Gen2規格をサポートします。さらに、代替モードと呼ばれる動作モードで、DisplayPortやHDMIなどのサードパーティプロトコルをサポートできます。
• これにより、デバイスはインターフェイスを介した適切なレベルの電力フローをネゴシエートして選択できます。

次のセクションでは、これらの機能がUSBType-C標準によってどのように提供されるかを説明します。

USBType-Cレセプタクル/プラグピン

USBType-Cコネクタには24本のピンがあります。図1と図2は、それぞれUSBType-Cレセプタクルとプラグのピンを示しています。

図1。 USBType-Cレセプタクル。画像提供：Microchip。

図2。 USBType-Cプラグ。画像提供：Microchip。

USB2.0差動ペア

D +ピンとD-ピンは、USB2.0接続に使用される差動ペアです。レセプタクルには2つのD +ピンと2つのD-ピンがあります。

ただし、ピンは相互に接続されており、実際に使用できるUSB2.0データ差動ペアは1つだけです。冗長性は、フリップ可能なコネクタを提供するためにのみ含まれています。

電源ピンとアースピン

VBUSピンとGNDピンは、電源と信号のリターンパスです。デフォルトのVBUS電圧は5Vですが、標準では、デバイスはデフォルト値以外のVBUS電圧をネゴシエートして選択できます。 Power Deliveryにより、VBUSの電圧は最大20Vになります。最大電流も最大5Aに上げることができます。したがって、USBType-Cは最大100Wの電力を供給できます。

高電力フローは、ノートブックコンピュータなどの大型デバイスを充電するときに役立つ場合があります。図3は、ノートブックコンピューターから要求される適切な電圧を生成するために昇降圧コンバーターを使用するRICHTEKの例を示しています。

図3。 Richtekの画像提供。

電力供給技術により、USB Type-Cは、電力レベルを負荷のニーズに適応させることができるため、以前の規格よりも用途が広いことに注意してください。同じケーブルを使用して、スマートフォンとノートブックの両方を充電できます。

RXピンとTXピン

2セットのRX差動ペアと2セットのTX差動ペアがあります。

これらの2つのRXペアの1つとTXペアは、USB 3.0 / USB3.1プロトコルに使用できます。コネクタはフリップ可能であるため、使用する差動ペアのデータをケーブルを介して正しく再ルーティングするには、マルチプレクサが必要です。

USBType-CポートはUSB3.0 / 3.1規格をサポートできますが、USBType-Cの最小機能セットにはUSB3.0 /3.1が含まれていないことに注意してください。このような場合、RX / TXペアはUSB3.0 / 3.1接続では使用されず、代替モードやUSB PowerDeliveryプロトコルなどの他のUSBType-C機能で使用できます。これらの機能は、利用可能なRX / TX差動ペアのすべてを利用する場合もあります。

CC1およびCC2ピン

これらのピンはチャネル構成ピンです。これらは、ケーブルの取り付けと取り外しの検出、レセプタクル/プラグの向きの検出、現在のアドバタイズメントなどの多くの機能を実行します。これらのピンは、電力供給および代替モードで必要な通信にも使用できます。

下の図4は、CC1ピンとCC2ピンがレセプタクル/プラグの向きをどのように示しているかを示しています。この図では、DFPはDownstream Facing Portの略で、データ送信のホストまたは電源のいずれかとして機能するポートです。 UFPは、ホストまたは電力消費者に接続されているデバイスであるアップストリームフェーシングポートを示します。

図4。 画像提供：Microchip。

DFPはRp抵抗を介してCC1ピンとCC2ピンをプルアップしますが、UFPはRdを介してそれらをプルダウンします。ケーブルが接続されていない場合、ソースはCC1ピンとCC2ピンでロジックハイを認識します。 USB Type-Cケーブルを接続すると、5V電源からアースへの電流経路が作成されます。 USB Type-Cケーブル内にはCCワイヤが1つしかないため、形成される電流パスは1つだけです。たとえば、図4の上の図では、DFPのCC1ピンがUFPのCC1ピンに接続されています。したがって、DFPCC1ピンの電圧は5V未満になりますが、DFPCC2ピンはロジックハイのままです。したがって、DFP CC1ピンとCC2ピンの電圧を監視することで、ケーブルの接続とその方向を判断できます。

ケーブルの向きに加えて、Rp-Rdパスは、ソース電流機能に関する情報を通信する方法として使用されます。この目的のために、電力消費者（UFP）はCCラインの電圧を監視します。 CCラインの電圧が最低値（約0.41 V）の場合、ソースはデフォルトのUSB電力を提供できます。デフォルトのUSB電力は、USB2.0とUSB3.0にそれぞれ500mAと900mAです。 CCライン電圧が約0.92Vの場合、ソースは1.5Aの電流を供給できます。約1.68Vの最高CCライン電圧は、3Aのソース電流能力に対応します。

VCONNピン

前述のように、USB Type-Cは、高レベルの電力フローとともに、非常に高速なデータ転送速度を提供することを目的としています。これらの機能では、内部にチップを使用して電子的にマークされた特別なケーブルを使用する必要がある場合があります。また、アクティブケーブルの中には、リドライバーチップを利用して信号を強化し、ケーブルなどで発生する損失を補うものがあります。この場合、5 V、1Wの電力を供給することでケーブル内の回路に電力を供給できます。 VCONNピンに供給します。これを図5に示します。

図5。 画像提供：Microchip。

ご覧のとおり、アクティブケーブルはRa抵抗を使用してCC2ピンをプルダウンします。 Raの値はRdとは異なるため、DFPはDFPCC1ピンとCC2ピンの電圧を調べることでケーブルの向きを判断できます。ケーブルの向きを決定した後、「アクティブケーブルIC」に対応するチャネル構成ピンを5 V、1 Wの電源に接続して、ケーブル内の回路に電力を供給します。たとえば、図5では、有効なRp-RdパスがCC1ピンに対応しています。したがって、CC2ピンはVCONNで示される電源に接続されます。

SBU1およびSBU2ピン

これらの2つのピンは、代替モードでのみ使用される低速信号パスに対応します。

USB電力供給

USB-C規格の固定に慣れてきたので、USB PowerDeliveryについて簡単に見てみましょう。

上記のように、USB Type-C規格を使用するデバイスは、インターフェイスを介した適切なレベルの電力フローをネゴシエートして選択できます。これらの電力ネゴシエーションは、前述のCC回線を介した単線通信であるUSB PowerDeliveryと呼ばれるプロトコルを介して実現されます。下の図6は、シンクがソースに要求を送信し、必要に応じてVBUS電圧を調整するUSB​​電力供給の例を示しています。最初に、9Vバスが要求されます。ソースがバス電圧を9Vで安定させた後、「電源準備完了」メッセージをシンクに送信します。次に、シンクが5 Vバスを要求し、ソースがそれを提供して、「電源準備完了」メッセージを再度送信します。

図6。 画像提供：Richtek。

「USB電力供給」は電力供給関連のネゴシエーションだけではなく、代替モードに関連するものなどの他のネゴシエーションは、標準のCCラインの電力供給プロトコルを使用して行われることに注意することが重要です。

代替モード

この動作モードでは、USB Type-C規格を使用して、DisplayPortやHDMIなどのサードパーティプロトコルを実装できます。すべての代替モードは、少なくともUSB2.0およびUSBPowerDelivery接続をサポートしている必要があります。詳細については、このTIドキュメントを参照してください。

結論

USBType-Cには興味深い機能があります。最大10Gb / sの超高速データ転送速度と最大100Wの高電力フローをサポートします。これらとフリップ可能なコネクタにより、USBType-Cは最新のデバイスの真のユニバーサルスタンダードになります。

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