最新のノートパソコンやモバイル電子機器にUSB Type-Cコネクタが搭載されているのに気づいたことがありますか?リバーシブルコネクタを備えていることに加えて、詳しく調べてみると、USBタイプCコネクタが、電源、ディスプレイ、周辺機器の接続用の多くの専用コネクタに取って代わっていることがわかります。この新しいインターフェース規格の柔軟性により、いくつかの小型フォームファクター ポートでUSB 2、USB 3、電源、多数のレガシー ポート、さらにはHDMIやDisplayPortなどの新しいインターフェースをサポートできるようになり、製品設計に革命が起こっています。
USB Type-Cは、USB Implementers Forumがリリースした最新の仕様です。USBケーブルの初期設計は、従来のPCの特定の種類のコネクタを置き換えることを目的としていましたが、USB Type-Cは周辺機器の接続を超えて、1本のケーブルで「世界」を実現できるように設計されています。電源ケーブル、ディスプレイ ケーブル、従来のUSBケーブルを別々に用意する必要はなくなりました。USB Type-Cはこれらすべてとそれ以上のものを置き換え、同じケーブルで複数の機能を処理することもできます (外部ディスプレイに接続するために使用しているケーブルでラップトップに電源を供給するなど)。
この新しいコネクタによって有効になる機能の一部は次のとおりです。
- 強化された機械的堅牢性を備えた小型フォームファクター: Type-Cポートは高さがわずか3mmで、従来のType-Aコネクタと同じレベルの回路基板への機械的接続を提供するように設計されています。
- リバーシブル ポート: USBコネクタはケーブルの両端で同じになり、コネクタがミラーリングされているため、どの向きでも差し込むことができます。
- 周辺機器からノートパソコンやモバイル デバイスに電力を供給できる最新のUSB Power Delivery (PD) 仕様をサポートします。
- 複数のデバイスに電力を供給する同じコネクタで最大40Gbpsのデータ レートを実現できます。
- 周辺機器への高速データ転送を実現するUSB 3.1プロトコルの完全サポート。
- DisplayPortの代替: 1つのポートを介して2台の4kディスプレイを接続できます (圧縮によりさらに接続可能)。また、USB 3 SuperSpeed接続もサポートしながら1台の4kディスプレイを接続することもできます。
- テレビやプロジェクターなどのメディア デバイスへの接続用にHDMIインターフェイスもサポートされています。
- PCIeおよびThunderboltの機能拡張もサポートされているため、外部にインストールされたグラフィック カードや高速データ ストレージに独自の機会が提供されます。
USB Type-Cの柔軟性により、インターフェースの複雑さとピン数は、従来のUSBポートと比べて大幅に増加しています (図1を参照)。いくつかの主要な機能がこの柔軟性を実現しています。まず、中央のD+ ピンとD- ピンは、従来のUSB2機能をカバーします。制御チャネル ピン (CC) は、接続されたデバイス間のケーブル回転検出とサービス ネゴシエーションに使用されます。4つのVBUSピンとGNDピンは、高出力USB電源供給 (USB PD) に必要な電流容量を供給し、サイドバンド使用 (SBU) ピンは、特定の代替モード インターフェース プロトコルのサイドバンド通信を供給します。最後に、TXペアとRXペアは、USB3、DisplayPort、PCIe、その他の高速インターフェースの高帯域幅通信を供給します。
図1: USB Type-Cピンマップ (出典: USB Implementers Forum)
USB Power Deliveryは、製品設計時に考慮すべき最も重要なオプションの1つです。このインターフェイスは、USB2およびUSB 3.1仕様 (500mA/900mA)、USBバッテリー充電仕様 (1.5A)、および追加の5V 3Aプロファイルへのダウンストリーム5ボルト動作をサポートできるためです。また、インターフェイスのクラスに応じて、方向制御により最大5Aで5V - 20V動作をサポートします。方向制御により、接続されたデバイスは電力をソースまたはシンクできるため、Type-Cポートが導入されるまでは利用できなかった柔軟な電力供給ソリューションが可能になります。全体の最大定格は、限られた電源デバイスの国際的な製品安全要件に準拠するために5Aまたは100Wに制限されています。すべてのデバイスがこれらのモードすべてをサポートする必要はないため、適切な電源プロファイルを選択し、それに応じて電力供給コンポーネントを選択することが重要です。
接続中、最初にCCピンで接地抵抗が検出されます。 ケーブルのどちらかの端にあるデバイスがダウンストリーム フェイシング ポート (DFP) として機能できる場合は、VBUSピンとGNDピンに5Vを供給し、接続されたデバイスの通常の動作を有効にします。次に、CC信号を使用してケーブルの回転を検出し、それに応じてケーブルの両端のTXおよびRXペア マルチプレクサを構成します。これが発生すると、ケーブルの両端にあるインターフェイス コントローラーは、どちらがホストになり、どちらが接続デバイスとして機能するかを決定します。2つのデュアル ロール デバイスの場合、これはランダムに決定されます。次に、電力供給がネゴシエートされ、代替電力または逆の役割が必要な場合は変更が行われ、VBUSピンでの動作が新しくネゴシエートされたモードに移行します。最後に、DisplayPortやPCIeなどの代替モードの機能拡張が有効になります。これらの接続は、サイド バンド使用 (SBU) ピンでネゴシエートされます。
フル機能のポートでは、完全な機能を実現するために多くの特殊なコンポーネントが必要です。一般的な実装方法は、Type-Cインターフェイス コントローラーと電源スイッチに、別の高速マルチプレクサーを追加することです。 コントローラはUSB2通信とポート セットアップを処理し、適切なデータが流れるようにマルチプレクサを構成します。 TIには、TPS65982およびTPS65986デバイスという2つの優れたポートおよびPower Deliveryコントローラがあります。 TPS65982 は、アップストリーム ポート (UFP)、ダウンストリーム ポート (DFP)、またはデュアル ロール ポート (DRP) として構成でき、ケーブル プラグ検出、ポート セットアップ、およびPD電源パスのネゴシエーションとセットアップを提供し、5 ～ 20V@5Aの代替モード電源をサポートします。 また、代替モードの機能拡張 (DisplayPort、PCIeなど) をネゴシエートし、内部およびオプションの外部マルチプレクサの構成を提供します。コストが削減された TPS65986 は、同一の機能セットを提供しますが、5〜20V / 3Aの代替電源のみをサポートし、機能拡張をネゴシエートまたは構成することはできません。インターフェイスの高速シグナリング部分では、高電力回路からの干渉を最小限に抑えながら適切な信号パスを確保するために、別のアナログマルチプレクサが頻繁に使用されます。TXとRXのペアが複数あるため、マルチプレクサを使用して、1つのTX / RXペアをUSB 3ハブに接続し、もう1つのペアをDisplayPortに接続することができます。PCIe over Type-Cなどのより高速なインターフェイスでは、すべての高速TX / RXペアを利用できます。 TI HD3SS460 は、4 x 6チャネルUSB Type-C™ オルタネート モード マルチプレクサで、5GHz USB 3.1 Gen 1と5.4 Gbps DisplayPort 1.2aを含むオルタネート モードを同時にサポートできます。SuperSpeed USB 3のみをサポートする必要があるポートの場合、TI HD3SS460 は、双方向mux/de-muxアプリケーションでの使用に最適な高速双方向スイッチです。-3dB帯域幅は8GHzを超え、アイ ダイアグラムの減衰が最小限で、ジッターがほとんど追加されない状態で最大10 GbpsのUSB Type-Cシグナリングをサポートします。
モバイルデバイス、周辺機器、セカンダリType-Cポート、および代替電源機能拡張を必要としないその他のアプリケーションでは、統合マルチプレクサを備えた単一ポートコントローラを使用できます。TI HD3SS3220 上記のUSB Type-Cコントローラと同じケーブル接続検出機能とデュアルロール ポート構成機能を提供しますが、代替モード電源と機能拡張のサポートを内部10Gbps mux/de-muxスイッチに置き換えます。
インターフェースが正しく確立されると、シリアルUSBデータをCPUまたはMCUのUSBバスインターフェース間で変換するためのUSB物理層インターフェースが必要になります。TIの TUSB1310A USB 3.0トランシーバーは、単一のクロック入力で動作することでシステム設計を簡素化します。5GbpsのUSB 3.0 SuperSpeed動作と480 MbpsのUSB 2接続を提供し、デバイスが従来のUSBホストで動作することを保証します。
USB Type-C経由でDisplayPortを使用するデバイスの場合、接続されたドックまたは周辺機器のDisplayPortコネクタに到達するまでに、DisplayPort信号が大幅に劣化する可能性があります。このようなシナリオでは、ドックでDisplayPortリドライバを使用してDisplayPort信号を再生成し、ディスプレイデバイスで適切な信号受信を確保できます。TIの SN75DP130 は、レーンあたり最大5.4 Gbpsの4レーン メイン リンク インターフェイス シグナリングをサポートし、DP++ デュアル モードも備えているため、これらのアプリケーションに最適です。また、DVI用のTMDSシグナリングと完全なHDMIバージョン1.4aサポートを提供します。2kV ESD保護も提供されており、上流のデバイスが過渡的なイベントによって損傷を受けないようにするのに役立ちます。
必要に応じて、他のポートに対する追加のESD保護をTIの TPD4E02B04 そして TP4E05U06翻訳 過渡電圧サプレッサ。これらのデバイスは超低負荷容量を特徴としており、超高速インターフェースに最適です。TPD4E02B04は、USB 3.1 Gen 2 (最大10 Gbps) を含む通常のUSBリンクと代替モードに最適です。一方、TPD4E05U06は、USB3.0 SS (5 Gbps)、SBU、またはCCピンの保護に最適です。
Texas Instrumentsは、上記のソリューションの多くを紹介し、完全に機能するUSB Type-Cデバイスの設計に関する洞察を提供する、いくつかのUSBリファレンス デザインを開発しました。1つ目は、前述のTI TPS65982 USB Type-Cポート コントローラとUSB-PDコントローラを中心に構築されたTIDA-00630 USB Type-Cドック リファレンス デザインです。これは、外部20Vdc電源で動作し、上流側のType-Cポートを介してホスト デバイスに20V@3Aの代替モード電力供給を提供します。また、DisplayPortをサポートし、統合型USB 3ハブが含まれています。ハブは、それぞれ最大5V/3Aの電力出力を備えた2つのType-Cデータ ポートと、2つのUSB 3 Type-Aポートに接続します。1つのType-Aポートは、5V/1.5AでのUSB-BCバッテリ充電機能を備え、残りのポートは標準のUSB電力値 (USB 3の場合は900mA、USB 2の場合は500mA) を提供します。
の 2番 USBタイプC電力供給コントローラと高速マルチプレクサ用です。この設計もTPS65982を中心に構築されており、最大20V/5Aのアップストリーム電力供給を含むすべてのUSB-PDモードを許可することで、部品の完全なUSB-PD機能を実証します。
最後のリファレンス デザインは、TPS65982を中心に構築されたUSB Type-CからSATAへのブリッジであるTIDA-00882です。このデザインは、ホスト デバイスに12V/3AのUSB-PDアップストリーム電力供給を行う外部ストレージ ペリフェラルの例を示しています。TI TUSB9261 USBからSATAへのブリッジは、USB 2ホストに接続されている場合はUSB 2 HS/FSフォールバック操作で、完全なSATA 3.0 Gbps操作のためのUSB SuperSpeed接続を提供します。
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