USB-C: 部屋の中の新しいゴリラ

USB 3.1とUSB-Cへの道

ユニバーサル シリアル バス (USB) 仕様は、IntelやMicrosoftを含む7社のグループによって開発が開始された1994年に遡り、20年以上経ちます。現在の取締役会にはHP、ルネサス、STマイクロエレクトロニクスも含まれており、総称してUSB Implementers Forum (USB-IF) と呼ばれています。

1998年に導入されたUSB 1.1は、広く採用された最初のバージョンでした。表1に示すように、データ転送速度はリリースごとに着実に向上しています。

表1: USBリリース (出典: Wikipedia)

USB-C以前は、USBコネクタと確立された接続のタイプに関連する3つの基本的な種類またはサイズがありました。USB 1.1/2.0およびUSB 3.0バリアント (USBフラッシュ ドライブなど) の古い「標準」サイズ、「ミニ」サイズ (主にBコネクタ エンド用、多くのカメラなど)、およびUSB 1.1/2.0およびUSB 3.0バリアント (現在のほとんどの携帯電話など) の「マイクロ」サイズです。

以前のUSB規格では、電気的な過負荷や機器の損傷を防ぐために、異なる種類のコネクタ (AタイプまたはBタイプ) が指定されており、Aタイプ ソケットのみが電力を供給します。それぞれの異なる「サイズ」には4つの異なるコネクタが必要です。USBケーブルにはAタイプとBタイプのプラグがあり、対応するレセプタクルがコンピューターまたは電子機器上にあります。実際には、Aタイプ コネクタは通常フル サイズであり、Bタイプ側は必要に応じて変更できます。

USB-C仕様

図1: USB Type-AとUSB Type-Cの比較。(出典: AliExpress)

最新のUSBコネクタおよびケーブル仕様はUSB-Cであり、USB相互接続にいくつかの重要な進歩をもたらします。図1に示すように、Type-Aよりもはるかに薄くなっていますが (2.4 mm対4.5 mm)、以前のバージョンの5ピンに対して24ピンになっています。コネクタはリバーシブルで、どちらの方向でも問題なくレセプタクルに差し込むことができます。

USB-Cは、さまざまなType-AおよびType-Bコネクタを置き換え、ホストとレセプタクルの両方に共通の標準となることを目的としています。これは、将来的な拡張性を備えた「将来性」を備えたものであり、以下で説明する代替モードによって他の標準にも対応します。

USBの以前のバージョンの普及と今後の見通しを考慮すると、USBは「すべてを支配する1つの標準」と呼ばれてきましたが、それには十分な理由があります。

USB-Cとは何か、そして何ではないのか

USB-Cはコネクタとケーブルの仕様であり、他の2つの関連仕様であるUSB 3.1およびUSB Power Delivery仕様とは区別する必要があります。

製品にUSB-Cが搭載されている場合でも、必ずしもUSB 3.1またはUSB Power Deliveryをサポートしているわけではありません。たとえば、USB-Cケーブルとコネクタは、USB 3.1もUSB PDもサポートしていない標準のUSB 2.0システムで使用できます。

これは当然のことです。たとえば、フラッシュ ドライブにはType-Aコネクタがあり、USB 2.0のみをサポートする場合がありますが、それでもラップトップのUSB-Cレセプタクルに接続する必要があります。でも心配しないでください。さまざまなアダプタ ケーブルが利用可能です。

USB-Cピン配置

図2: USB-Cのピン配置。(出典: Arstechnica)

図2はUSB-Cのピン配置を示しています。5つのセクションに分かれています。

1) 4つのVBUS/GND電源とグランドのペア

2) 高速データ パス: USB 3.1 SuperSpeedモード用の4つの差動ペア (実装されている場合)。SuperSpeedは全二重通信を使用します。

3) 2つのUSB 2.0 D+/D- ペア: USB 2.0機能を実装するために必要 (1ペアのみ使用)

4) 2つのサイドバンドピン: オルタネートモードで使用可能

5) 2つのCCプラグ構成ピン: ケーブルの向きを検出し、USB電源供給仕様を実装するために使用されます。

USB-Cはどのようにしてコネクタの可逆性を実現するのでしょうか?ピンは回転対称です。電源ピンVBUSとGNDは常に一致します。コネクタを反転すると、TX1ペアがTX2に、RX1ペアがRX2に接続されるなどします。2つのCCピンは、レセプタクルに挿入する際のコネクタの向きを決定するために使用され、ホスト デバイスはそれに応じてレセプタクルのピン配置を変更します。

USB-C代替モード

代替モードでは、USB Type-Cケーブル内の物理ワイヤの一部を、代替データ プロトコルのデバイスからホストへの直接送信専用にします。4つの高速レーン、2つのサイドバンド (SBU) ピン、およびドック、取り外し可能なデバイス、および永久ケーブル アプリケーションの場合のみ、2つのUSB 2.0ピンと1つの構成ピンを代替モード伝送に使用できます。モードは、CCピンを介してベンダー定義メッセージ (VDM) を使用して構成されます。

たとえば、DisplayPortは、ビデオ ソースをコンピューター モニターなどの表示デバイスに接続するための一般的なインターフェイス標準です。管理機関であるVESAとUSB-IFは、USB-C経由での使用を規定する「USB Type-C標準のDisplayPort Altモード」を発行しました。DP Alt Mode規格により、最大4つのSuperSpeedピン (2つのTX/RXペア) を再利用して、標準のUSB Type-CコネクタとケーブルでネイティブのDisplayPort信号を伝送できるようになります。Type-Cセカンダリ バス ピンは、DisplayPort AUXチャネルにも使用できます。これは通常、オーディオやタッチスクリーン情報などの追加の非ビデオ データを伝送するためにDisplayPortデバイスによって使用されます。

USB-Cケーブル仕様

USB-Cコネクタは、従来のストレート ケーブルで使用できます。また、フル機能のUSB Type-Cケーブルの仕様もあります。これは、USB Power Delivery 2.0仕様の構成データ チャネルとVDMに基づくID機能を備えたチップを含む、アクティブな電子マーク付きケーブルです。

USB Type-Cデバイスは、ベースラインの900 mAに加えて、5 V電源バスで1.5 Aおよび3.0 Aの電力電流もサポートします。デバイスは、構成ラインを介してUSB電流の増加をネゴシエートするか、完全なPower Delivery仕様をサポートすることができます。

USBシステム設計

図3に示すように、効率的で堅牢かつ完全に準拠したUSB Type-C設計を実現するには、さまざまなコンポーネントが必要です。ブロックの一部は次のとおりです。

負荷スイッチ: 障害のある負荷源からシステムを自動的に分離します。低電圧/高電圧保護、逆電流保護、過熱保護、プログラム可能な電流制限などの追加機能を探してください。

USB PD PHY: システムがUSB Power Delivery仕様にも準拠している場合は、リンク操作を確立して電力を供給するために、コントローラーとプロトコル レスポンダーの組み合わせが必要です。

US PDマイクロコントローラ: Type-C機能には複雑な意思決定が必要なので、マイクロコントローラと専用のファームウェアが必要です。

高性能スイッチ: 送信された信号を同じまたは異なる接続ポートにリダイレクトする信号多重化または多重解除機能を提供します。これらの機能をクロスポイント スイッチに組み合わせて、代替モード機能をサポートできます。

信号コンディショナー: USB信号を再生成し、ジッタを除去し、チャネル伝送を拡張し、ビット エラー レート (BER) を低減します。

インターフェース保護: ESD保護に加え、GSM、LTE、Wi-Fiなどのワイヤレス テクノロジーからの干渉を排除するコモン モード フィルターも提供します。

図3: USB Type-Cコネクタのシステム ソリューション。(出典: NXP)

アローとNXPのパートナーシップ

アロー・エレクトロニクスは、2014年の売上高が228億ドルに達する流通業界の大手企業です。当社は、17,000人の従業員と58か国460を超える拠点のグローバル ネットワークを擁するフォーチュン150企業として、世界中のお客様にテクノロジー ソリューションを提供し、製品ライフサイクル全体にわたって専門的なサービスと専門知識を提供しています。

当社は、特別なイベント、テクノロジー フォーラム、カスタム ボードなどを通じてテクノロジーを市場に投入し、お客様がUSB-Cなどの革新的なテクノロジーに慣れ親しむお手伝いをすることに長けています。しかし、当社はさらに一歩進んで、複数のサプライヤーのテクノロジーを組み合わせて完全なソリューションを構築し、より早く市場に投入できるようにします。

USBシステムの長年のリーダーとして、NXPはUSB-C定義チームの重要な一員であり、この刺激的な新しい市場向けに最も包括的な製品とシステム ソリューションを提供しています。NXPのUSB-C向け製品は多岐にわたり、USB-PDファームウェアを搭載したARMベースのMCU、伝送距離を向上してBERを低減する信号コンディショナー、障害のあるソースまたは負荷からシステムを自動的に分離するNチャネル電源スイッチ、および6つの超高速データ ラインを保護するように設計された非常に小型の静電放電 (ESD) 保護デバイスである新しいPUSB3TB6が含まれます。

このような深く幅広い経験を考えると、ArrowとNXPが提携して、USB-Cへの移行を可能な限り迅速かつスムーズに行うのは当然のことです。詳細はまだ最終調整中ですが、近い将来、独自のNXP-Arrow USB-Cソリューションが登場する予定です。

結論

USB-C、USB 3.1、USB PDが組み合わさって、USBの未来を形成します。システム全体の革新的な側面、つまりリバーシブル コネクタ、速度の向上、新しいPDフォーマットは、特定の設計上の課題をもたらすだけでなく、あらゆる状況で信号を保護し、パフォーマンスを確保するための新しい要件も生み出します。

市場では期待が大きかったものの、結局は消え去ってしまった他の規格とは異なり、USB-Cが採用されるかどうかは問題ではなく、どれだけ早く採用されるかが問題です。新製品はすでに店頭に並んでいます。唯一の疑問は、それが唯一必要な標準になるまでにどれくらいかかるかということです。