USB対応デバイスには、USB 3.1、USBタイプCコネクタ、USB電力供給仕様 (USB PD) という3つの新しい規格によって、まもなく大きな変化がもたらされます。2012年と2013年の最初の発表以来、集積回路サプライヤーとOEMは共に取り組んでおり、新しい機能を組み込んだ製品が登場し始めています。
しかし、すべてが順調というわけではありません。これからわかるように、新しい仕様では電力供給システムの基準が大幅に引き上げられています。
新しい基準の概要
新しい規格の主な変更点は何ですか?以下に非常に短い要約を示します。
USBの最新のメジャー リビジョンであるUSB 3.0では、USB 2.0のデータ レートが480 Mbpsから4.8 Gbpsに向上し、同期操作によるバス使用率が向上し、全二重操作が導入されました。さらに、電力容量が500 mAから900 mAに増加しました。USB 3.1はUSB 3.0をベースにしていますが、データ レートが10 Gbpsに向上しています。
USBタイプCはリバーシブル フォーム ファクタ コネクタであり、現在さまざまなサイズで販売されているタイプAおよびタイプBコネクタに代わるものです。USBタイプCコントローラーは、コネクタの向きを判断するだけでなく、新しく接続されたデバイスでサポートされているプロトコル (USB 2.0、3.0、または3.1) を識別する必要があります。
従来のUSB接続の5 Vのみの電源とは対照的に、USB PDは、デバイスが以前よりも高い電流と電源電圧を要求できるようにする複数の電源プロファイルを定義します。たとえば、あるプロファイルでは、デバイスは5 Vで最大2 A (最大10 Wの電力消費) を要求できます。別のプロファイルでは、デバイスは12 V (60 W) または20 V (100 W) で最大5 Aを要求できます。
USB PDは、USBタイプCプラグの挿入が検出されると開始される単線通信プロトコルを使用します。USB PDは、システム間のリアルタイム ネゴシエーションを使用して、どのデバイスがプロバイダー (USB PD用語ではダウンストリーム ポート (DFP)) で、どのデバイスがコンシューマー (アップストリーム ポート (UFP)) であるかを決定します。この仕様により、後で条件が変わった場合、デバイスはさらなるネゴシエーションの後に役割を逆転させることができます。
次に、DFPとUFPは相互に電力供給スキームまたは「契約」を確立します。これにより、両方のデバイスが最適な電力レベルで動作できるようになります。消費者は必要な電力のみを要求し、プロバイダーは利用可能な電力のみを許可します。
図1: USBタイプCエコシステム。（出典：NXPセミコンダクターズ）
新しい基準を満たすための電源設計の問題
これらの標準規格を組み合わせることで、USBユーザーの作業が大幅に楽になる一方で、電源システム設計者の作業は複雑になります。USB 2.0から移行する電源設計には、主に2つの問題があります。
• システム レベルでは、新しいUSB仕様では、古いUSB 2.0電源管理アーキテクチャを完全に再設計する必要があります。新しい設計では、USBタイプCとそのリバーシブル コネクタに対応する必要があるだけでなく、電力はどちらの方向にも流れることができ、デバイスはシステムの動作中に機能を切り替えることができ、使用される電力レベルは大幅に高くなっています (USB 2.0の5 V (2.5 W) で500 mAに対して、20 V (100 W) で最大5 A)。
• 回路レベルでは、10 Gbpsのデータ レートを備えたUSB 3.1のSuperSpeed+ モードでは、追加の静電容量を最小限に抑える必要があり、ESD保護デバイスに厳しい制限が課せられます。電圧と電流が高くなると、保護装置の仕様も変更する必要が生じます。
システムレベルの設計上の問題
システム レベルでは、USB PDデバイスは、指定された電圧と電力を供給することでUSB電源規格に準拠するだけの単純なUSB PD以前のコントローラーよりも多くの機能を担当します。
前述のように、USB PDコントローラーは複雑な一連の操作を実行する必要があります。まず、ケーブルがタイプCコネクタに差し込まれたことを検出し、その方向を判断する必要があります。次に、CCラインを介して他のデバイスとUSB PD電源契約をネゴシエートし、USB PDバイフェーズ マーク コーディング (BMC) と物理層 (PHY) プロトコルを使用して適切な機能と電力レベルを決定します。
ネゴシエーションが完了すると、コントローラは適切な電源パスを有効にし、USB PD代替モード設定を構成します。これにより、DisplayPortなどの他のプロトコルを同時に使用できるようになります。運用中はいつでも、条件が変化すると契約が再交渉される可能性があるため、コントローラーは新しい入力に適切に応答する必要があります。
サンプルUSPDコントローラー
このレベルの機能には、通常、マイクロコントローラ コアとアナログASICを含む複雑なミックスド シグナル システム オン チップ (SoC) デバイスが必要です。一般的なデバイスでは、5 Vおよび12 Vの電力供給には内部FETを使用し、20 V、5 Aが必要な場合は外部電力FETを使用します。
テキサスインスツルメンツのTPS65982 USBタイプCおよびUSB PDコントローラで、ケーブル プラグと方向ブロック、USB PD PHY、ARMコア ベースの完全に構成可能なポート ポリシー マネージャ、電源管理ブロック、内部3 Aおよびオプションの20 V/5 A FETを備えた電源パス、および強化された代替モード機能のための統合高速ミックスの6つの主要ブロックが含まれています。TPS65986は、外部FET機能のない同様のデバイスです。対象アプリケーションには、ノートパソコン、タブレット、ウルトラブック、ドッキング システム、USB PD対応のバスパワー デバイスのほか、DisplayPort、Thunderbolt、HDMIなどのUSB PD代替モードを介したその他のプロトコルが含まれます。
図2: 20 V対応の充電器アプリケーションにおけるTPS65982電源インターフェース。(出典: テキサス・インスツルメンツ)
の Cypress SemiconductorのCCG1 32 KBフラッシュと4 KB SRAMを備えた48 MHz ARM 32ビットCortex-M0プロセッサ、2つの構成可能な16ビットTCPWMブロック、およびI2C (マスターまたはスレーブ)、SPI (マスターまたはスレーブ)、またはUART機能を備えたシリアル通信ブロック (SCB) が組み込まれています。 その他の機能には、統合型タイプCトランシーバー、VBUS電圧および電流監視用の12ビット、1 Msps ADC、および最大30個のGPIOが含まれます。
NXPセミコンダクター また、デバイスを検証し、そのデバイスの特定の機能を有効にする必要があるかどうかを判断するための認証機能を備えた完全なUSBタイプCソリューションを含む、USBタイプC製品のポートフォリオも提供しています。これには、バッテリー寿命の延長、低品質の材料や非準拠製品による安全上の問題や機器の損傷の防止など、さまざまな利点があります。
その他のNXPデバイスには、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ビット エラー レート (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などがあります。
USB 3.1およびUSB PDのESD保護
USB 3.1はUSB 3.0と同じ差動信号ラインを使用しますが、データ レートが10 Gbpsに倍増します。速度が上がるにつれて、インターフェースが信号パス全体でインピーダンス整合を維持することが重要になります。インピーダンスの不一致があると、回線上で反射が発生し、ジッタが増加して信号品質が低下する可能性があるため、USB 3.1システムでは、信号パス内のすべての外部コンポーネントに対して厳格な静電容量制限が求められます。
ESD保護デバイスは確かに静電容量を追加しますが、重要なコンポーネントです。プロセス ジオメトリを小さくすると速度が向上する可能性がありますが、ESDパルスの影響を受けやすくなります。それだけでなく、ノートパソコンや携帯電話などの消費者向けデバイスのUSBポートは、制御されていないESD環境で使用されています。手首の接地ストラップや接地されたテーブル面は忘れてください。むしろ、消費者は、ナイロン製のカーペットの上を歩いたり、猫を撫でたりした直後に、プラグを接続または切断する際に、誤ってコネクタ ピンに触れる可能性が非常に高いのです。
従来のデバイス アーキテクチャでは、ESD保護レベルが上がるとデバイスの静電容量も増えるため、設計者は信号の整合性とESD保護のどちらかを選択する必要が生じます。半導体ダイオードには、低いクランプ電圧、高速なターンオン時間、優れた信頼性など、多くの望ましい特性がありますが、最近まで他のアーキテクチャよりも静電容量が高くなっていました。
しかし現在、メーカーは高速アプリケーション向けに特に低静電容量のダイオードベースの保護デバイスを導入しています。たとえば、NXP SemiconductorのPUSB3FR4は、10 GbpsのSuperSpeed USB 3.1などの高速インターフェースを保護するように設計されています。このデバイスには4つの高レベルESD保護ダイオード構造が含まれており、リードレスの小型DFN2510A-10 (SOT1176-1) プラスチック パッケージに収められています。すべての信号ラインは、0.29 pFという超低ライン容量を実現する特殊なダイオード構成によって保護されています。ダイオードはスナップバック構造を採用しており、下流のコンポーネントをIEC 61000-4-2、レベル4を超える最大15 kVの接触ESD電圧から保護します。 ±同様の6つのESDデバイスを備えたPUSB3FR6
は、USBタイプCコネクタの機能であるUSB 2.0とUSB 3.1の組み合わせに対してシステムレベルの保護を提供します。
図3: IEC61000-4-2 +/-8 kV接触ESDパルスに対するESD7008クランプ応答。(出典: ON Semiconductor)
ON Semiconductor もこの市場で活躍しています。ESD7008 は、UDFN18パッケージで4つの差動ペア (8ライン) のESD保護を提供します。フロースルー スタイルのパッケージにより、PCBレイアウトが容易になり、一貫したインピーダンスを維持するために必要なトレース長を一致させることができます。このデバイスの標準的な対地静電容量は0.12 pFです。
結論
USBタイプC、USB 3.1、USB PDの組み合わせがUSBの未来です。完全なシステムの革新的な側面、つまりリバーシブル コネクタ、高速化、新しいPD形式は、電力システム設計者にとって設計上の課題となることは間違いありませんが、最初のソリューションはすでに導入されており、その他多くのソリューションが開発の最終段階にあります。