USB-CとSuperSpeed：実践的な入門

USB-Cは速度ではありません。24ピンのコネクタであり、2つの役割、電力ネゴシエーションプロトコル、そして—オプションで—2対の追加高速ペアを備えています。これらを混同することがよくある最初の間違いです。

1. コネクタ

24本のピンは4つのグループに分かれます：電源（VBUS/GND）、USB 2.0（D+/D−）、コンフィギュレーション（CC1/CC2）、SuperSpeed（TX/RXペア、および代替モード用のSBU）。ミラーリングにより、ホストはどちらの向きにも対応する必要があります — 通常はCCベースのmuxを使用するか、規格が許す範囲で両方の列をまとめて配線します。

ミラーリングによる実用的な影響は2つあります。第一に、USB 2.0のD+/D−は通常、2列にわたって一緒に接続できます。一度にアクティブになるのは1ペアのみであり、プロトコルはスタブを許容するためです。第二に、SuperSpeedは接続できません：プラグを反転するとTXペアとRXペアが入れ替わるため、フルスピード動作にはmux（または向き検出を統合したコントローラ）が必要です。

製品がUSB-Cコネクタ経由でUSB 2.0のみを使用する場合、そのmuxは不要です — よりシンプルな設計が正しい数少ないケースの1つです。

2. CCピンが役割を決定する

シンク（デバイス）:    CCx -- 5.1 kOhm -- GND
ソース（充電器）: CCx -- Rp -- VBUS
  Rp 56 kOhm: デフォルト電流
  Rp 22 kOhm: 1.5 A
  Rp 10 kOhm: 3 A

電源用のUSB-Cレセプタクルを備えた基板でCCピンがフローティングのままになっていると、C-to-Cケーブルではまったく電力が供給されません。デバイスは死んでいるように見え、充電器側は何も検知しません。これはUSB-C設計で最もよくある単一の誤りであり、修正には抵抗2本で済みます。

充電とホスト動作の両方を行うデバイスでは、CCネットワークはより複雑になります。ポートはRdとRpを切り替える必要があり、PDコントローラがネゴシエーションを処理します。その段階では、リファレンス回路図をコピーするのではなく、コントローラのデータシートを読んでください。

PDネゴシエーションは、静的な抵抗ではなく変調信号としてCCライン上で実行される。ソースは能力を通知し、シンクはプロファイルを要求し、電圧が変化する前に双方が確認する。「充電が遅い」をデバッグしている場合は、抵抗だけでなくネゴシエーションされた契約を確認すること。

3. 電力ネゴシエーション

3 Aを超える場合、ケーブルは電子的にマーキングされている必要があり、シンクはネゴシエーションが完了するまで全電流が利用可能であると仮定すべきではない。5 Aの負荷をVBUSに直結する設計は、ブラウンアウトを起こすか保護がトリップするかのいずれかになる。

4. SuperSpeed シグナリング

SuperSpeed は各方向に送信ペア1つと受信ペア1つを追加します。これらは AC 結合されます：各ラインに 100 nF を直列に挿入し、送信側の近くに配置します。また USB 2.0 より高速で、許容差が厳しくなります — Gen 1 は 5 Gb/s、Gen 2 は 10 Gb/s、USB4 はさらに高速です。

実用的な配線ルール：ペアは短く保ち、ペア内でマッチングを取り、ビアを避け、リターンパスが途切れるコネクタ下を通さないこと。設計で USB-C 上の USB 2.0 のみが必要な場合、SuperSpeed ピンは未接続のままでかまいません — ただし、レセプタクルで露出している場合は ESD 保護が依然として必要です。

コネクタがリバーシブルであるため、プラグを裏返すと SS レーンは mux によって入れ替える必要があります。つまり PCB は2つの可能なマッピングを認識し、mux は経路に独自の容量と損失を追加します。Gen 2 では、これはリンクバジェットの一部であり、後付けの考慮事項ではありません。

多くのUSB 3コントローラには信号調整機能が組み込まれています。送信側のデエンファシスと受信側の等化が、PCBとケーブルの損失を補償します。同じボード上でリンクがGen 1では動作しGen 2では失敗するのはこのためです。5 GHzでの追加損失が、イコライザーが補正できる範囲を超えるからです。

5. よくある間違い

5b. 電力パスと保護

USB-Cポートは、100 Wを供給するよう要求されることも、それを受電するよう要求されることもあり、VBUSピンは外部に露出している。そこから3つの事項が導かれる。VBUSの保護、ネゴシエートされた電流を扱える電力パス、そして電源が20 V供給ではなく5 Vのスマートフォン充電器である場合にどうなるかに関する計画である。

• ESD: VBUS、CC、SBU、およびデータペアはすべてコネクタで保護する必要がある。
• 突入電流: 大きな入力コンデンサは、ケーブルを接続したときに短絡のように見えるため、ソフトスタートまたはeFuseを使用する。
• 逆電圧: ポートがソースとシンクの両方になり得る場合、電力経路は両方向を遮断する必要がある。
• 電流: コネクタと小型基板に5 Aを流すには、幅広の銅箔と熱確認が必要である。

6. 立ち上げチェックリスト

1. C-to-C ケーブルで CC 電圧を確認する：シンクはソースの Rp を認識し、ラインを規定レベルにプルする必要がある。
2. 両方のプラグ向きで VBUS の 5 V を確認する。
3. PD を使用する場合は、CC 波形を取得して BMC ネゴシエーションを確認し、要求電圧をチェックする。
4. SuperSpeed の場合は、リンクテストを実行してネゴシエートされた速度を読み取り、Gen 1 と Gen 2 を別々にエニュメレーションする。
5. SS ペアは差動プローブまたはコンプライアンス治具でのみプローブする；片方のラインへのシングルエンドプローブは測定を破壊する。
6. SBU を含むすべての露出ピンで ESD を確認する。
7. サーマル: ネゴシエートされた最大電力で30分間動作させ、コネクタとPDコントローラを測定します。

ここでも適用される差動ペアの基本については、USB 2.0ペア配線ガイド、および同じコネクタでの保護配置については、ESDレイアウトガイド.

7. FAQ

USB-CはUSB 3と同じですか？

いいえ。USB-Cはコネクタであり、USB 3は速度です。USB-CポートがUSB 2.0のみを伝送する場合もあり、USB-AポートがUSB 3を伝送する場合もあります。

C-to-Cケーブルでデバイスが充電されないのはなぜですか？

ほぼ常にCCピンが原因です。シンク側では各CCピンからグランドへ5.1 kΩが必要で、これがないと充電器はデバイスを認識しません。

どのUSB-Cポートからでも100 Wを得られますか？

いいえ。ソース、ケーブル（e-marked）、シンクのすべてがPDと要求電圧をサポートしている必要があります。USB-Cのデフォルトは5 Vです。

PDコントローラは必要ですか？

5 Vを超える、または3 Aを超える必要がある場合、あるいはポートの役割を切り替える必要がある場合のみです。単純な5 Vデバイスなら、2本の抵抗と保護アレイで十分です。

なぜ私のボードはA-to-Cケーブルでは動作するのに、C-to-Cでは動作しないのですか？

A-to-CケーブルはCCの状態に関係なく5 Vを供給します。C-to-CケーブルはシンクがRdを提示するのを待ちます。A-to-Cケーブルで「動作する」同じ設計でも、C-to-Cではまったく動作しないことがあります。

SuperSpeedペアは必要ですか？

いいえ。製品がUSB 2.0のみを必要とする場合、SSピンは未接続のままでかまいませんが、露出している場合は依然として保護する必要があります。

PDアナライザーなしでUSB-Cをテストできますか？

一部は可能です。VBUSとCCにメーターを当てれば、ロールとデフォルト電圧がわかります。完全なPDネゴシエーションには、PD対応テスターまたはプロトコルアナライザーが必要です。ほとんどの立ち上げ作業では、より簡単なチェックで一般的な不具合を捉えられます。

e-markerとは何ですか？

ケーブルに内蔵された小さなチップで、電流とデータの能力をソースに伝えます。これがない場合、ソースは電流を3 Aに制限します。

8. 出典

• USB Implementers Forum,USB Type-CおよびUSB 3.2仕様— ピン配置、CC、PD、SuperSpeed要件。
• USB-IF,USB Power Delivery— 電圧・電流プロファイル、EPR。
• Texas Instruments,高速レイアウトガイドライン(SLLA414) — ペア配線とリターンパス。
• ベンダーのUSB-Cコントローラーのデータシート — CCネットワークとmux構成。