2013年に、USB Implementers ForumはUSB 3.1とUSB Type-Cという2つの新しいインターフェースをリリースしました。これらを組み合わせることで、以前のUSBインターフェイスに比べて多くの利点が得られますが、それらの利点を実現するには慎重な設計が必要になります。
具体的には、USB3.1 Type-Cに対応した製品では、これらの新しいインターフェースに組み込まれているさまざまな高速および高電力ラインにESD保護を提供するために特別な注意を払う必要があります。 同時に、設計では帯域幅が犠牲にならないようにする必要があります。LittelfuseのSilicon Enhanced ESD Diode Array (SESD) 製品ラインは、この高速シリアル インターフェイス設計の課題に独自に適したさまざまなソリューションを提供します。SESD製品ラインは、システムコスト、複雑さ、減衰を最小限に抑えながら最大限の保護を実現します。
USB 3.1インターフェースでは、最大10ギガビット/秒のデータ転送が可能で、Power Delivery 2.0仕様により最大100ワットの電力伝送が可能です。これらの速度は、ハイエンドのSSD、RAIDアレイ、さらには高解像度のビデオ ディスプレイをサポートできます。USB 3.1は高電力機能を備えているため、ほとんどの携帯電話、ノートパソコン、その他の周辺機器に電力を供給するのに適しています。接続をより便利にするために、Type-Cインターフェースでは、従来のUSBインターフェースのキーによる相互接続が不要になります。ただし、以前のUSBインターフェイスと同様に、Type-Cはさまざまなケーブルの長さをサポートしています。USB 3.1とUSB Type-Cはそれぞれ独立して使用できますが、両方のインターフェースの機能を1つのポートに統合した製品を使用すると、消費者にとって最大のメリットが得られます。高速かつ高出力の伝送と、シンプルでどこにでもあるケーブル配線の組み合わせは、技術愛好家にとっては夢の実現のように聞こえますが、インターフェース設計者は実装に細心の注意を払う必要があることを意味します。
USB 3.1の主な特徴は、その高いデータ転送速度です。最大10 Gbpsのデータ転送を可能にすることで、USB 3.1は第1世代のThunderboltコントローラーと同等になります。技術デモンストレーションでは、USB 3.1がSSDがサポートする高速データ転送を処理できることがすでに証明されています。
この高速性がどのように実現されるかを理解するには、USB Type-Cピンの定義を確認すると役立ちます。図1を参照して、外側の端から内側に向かって作業すると、コネクタの外側の端にある最初のピンは4つのアース ピンです。グランド ピンの隣には4つのツイスト差動ペアがあり、送信ペアまたはレーンと受信ペアまたはレーンのそれぞれ2つとして機能します。これらの差動ペアは主要な高速バスを構成します。これらのレーンのそれぞれは5 Gbpsに対応していますが、送信ペアと受信ペアのそれぞれ1セットのみが有効になっているため、全体の最大帯域幅は10 Gbpsになります。
ただし、この高速インターフェースをサポートする必要があるのは、ケーブルとコネクタ自体だけではありません。データは、クライアントPCBからコネクタを通り、ケーブルを下り、別のコネクタを経由してホストPCB全体に渡ってネットワーク全体を移動します。高速データ ラインは、特に無効または動作していない送信ペアと受信ペアでは、ESDイベントの影響を非常に受けやすくなります。送受信できるデータの最大帯域幅を決定するのはこのシステム全体の寄生要素の合計ですが、考慮すべき主な要素は静電容量です。LittelfuseのSESDソリューションは、単方向または双方向構成で超低容量ESD保護を提供し、ESD保護と信号の整合性を犠牲にすることなく設計の選択肢を提供します。
USB 3.1仕様では、ビットはゼロボルトを越えることなく0または1としてストリーミングされる必要があります。そのため、単方向保護が推奨されるソリューションです。双方向保護は静電容量が低いため、潜在的に帯域幅のオプションが高くなります。ただし、双方向保護フォーマットでは、パフォーマンスの低い高速レーンが過電圧の脅威にさらされる可能性があることに注意することが重要です。Littelfuseは、4チャネル構成でパッケージ化された便利なSESD単方向アレイ (部品番号RF3077-000) を提供しています。このソリューションは、全体的な設計予算に0.2 pFの静電容量を追加するだけで、高速USB 3.1レーンに対して最適な保護を提供することに特化しています。もう1つのオプションは、業界標準の0201または0402表面実装構成で利用可能な単一チャネルの一方向ソリューションを使用することです。リテルヒューズは、配線の柔軟性を重視する顧客向けに、ディスクリートSOD-882および0201 DFN形式で双方向ESD保護を提供しています。
コネクタのさらに内側に進むと、次に見つかるピンは4つのVbus (バス電源) ピンです。USB 3.1インターフェイスは、USB Power Delivery 2.0仕様を利用して5つの電源プロファイルをサポートします。これらの中で最も高性能なPower Profile 5では、1本のケーブルで20 V、5 A、または100 Wの電力を供給できます。この高電力機能は、より多くの大型デバイスをより高速に充電できるUSB 3.1 Type-Cの消費者採用にとって魅力的なメリットです。これらの電源ピンには、独自のESDの懸念が伴います。そのような懸念の1つは、空のバッテリー パックを充電するときに発生する小さな初期サージです。このサージは電圧と電流の両方のスパイクとして発生するため、追加の過電圧（通常は定格電圧の50% 以上）を考慮する必要があります。Littelfuseは、業界標準の0402パッケージでSPHV24-01ETG、または0201標準パッケージ形式でSP24-01WTG-HVを提供しています。これらチップは両方とも、USB電源プロファイル5 (100 W電力供給) を通じてESD保護を提供するように設計されています。また、低電力プロファイルを利用することを目的としたVbusアプリケーション向けのESD保護チップの完全なラインも提供しています。
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USB Type-Cコネクタの中央に向かって作業を続けると、Vbusラインの次に、構成チャネル (CC1およびCC2) とサイドバンド使用 (SBU1およびSBU2) ラインが続きます。これらのラインは、USB 3.1 Type-CがThunderboltやDisplay Portなどの代替プロトコルを利用できるようにする低速バスを構成します。USB Type-C仕様では、プラグの向きは2つの構成チャネル ラインのいずれかにあるプルダウン抵抗によって決定されると規定されています。CC1およびCC2ラインは、ホストとクライアント間でベンダー定義メッセージ (VDM) を送信するなど、低速通信も可能にします。構成チャネル ピンを介した送信は帯域幅が低くなりますが、これらのピンは依然として潜在的なESDの脅威にさらされています。サイドバンド使用チャネルは、ホストからクライアントへのディスプレイ ポート セッション ネゴシエーションなど、帯域幅が低いシナリオでも使用されます。構成チャネルおよびサイドバンド使用ピンは高速バス ラインの高帯域幅機能を必要としないため、構成チャネルおよびサイドバンド使用ピンは中範囲の静電容量、一方向ESD保護の恩恵を受けます。Littelfuseは、これらのピンに対してSP1003-01ETGおよびSP1006-01UTGソリューションを提供しています。
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USB Type-Cコネクタの中央には、従来のUSB 2.0バスを構成する2つの差動ペアがあります。ただし、従来のUSB 2.0とは異なり、USB Type-Cの中心にあるバスは双方向実装です。この高速バスには、Littelfuseの部品番号SP3022-01WTGまたはSP3022-01ETGで提供されるような、独自の低静電容量双方向ESD保護が必要です。
USBは消費者からUSB 3.1 Type-Cの採用が確実であるという実績があります。すでにこの規格を実装したデバイスが店頭に並び始めています。これらのデバイスの多くはモバイルであり、顧客はポケット、机、車の座席での酷使にも耐えられる堅牢な製品を期待しています。さらに、最長3メートルのケーブルでデバイスを接続することが想定されており、上下どちらでも挿入できる便利なコネクタが約束されています。このような状況では、ESD保護の設計がさらに重要になります。Littelfuseは、次世代の高速・高出力デバイスを可能にするESDソリューションの完全なラインを提供します。