USB4 Gen 3 Type-Cの信頼性とシグナルインテグリティの新要件を満たす方法

USB4インターフェースは、2レーンで40ギガビット/秒（Gbit/s）の最大データ転送速度をサポートしています。このUSB4インターフェースは、シグナルインテグリティや電磁妨害（EMI）の要件を満たす必要がある設計者にとって、新たな課題をもたらしています。さらに、複数のデータとディスプレイプロトコルがType-Cコネクタを広くサポートしています。そのため、プロトコルが相互のバスで利用可能な帯域幅を共有する必要があります。他のUSB4コンポーネントと同様に、コネクタが複数の標準化団体によって認証されていることを確認する必要もあります。他にも設計上の課題があります。たとえば、プラグの誤挿入による機械的損傷のリスク軽減や、高い堅牢性や高度な機能を必要とする最終製品と使用モデルへの対応などが挙げられます。

USB Type-C®仕様は、進化するシステムや機器のニーズに対応するコネクタ要件を規定しています。同時に、既存のUSBフォームの機能的メリットとの互換性を維持しています。この記事では、USB Type-Cコネクタの構成と特長を説明します。使用されるアプリケーションについてもご紹介します。この記事では、Amphenol ICCのUSB4認証USB Type-Cコネクタのレセプタクルを紹介しています。これらの例では、EMIを低減し、コネクタの信頼性と機械的完全性を向上させる追加機能など、仕様に記載されているすべての高度な機能をサポートしています。

USB4 Gen 3 Type-Cコネクタ

USB Type-Cプラグとレセプタクルは、USB Implementers Forum（USB-IF）によって、「USB Type-Cケーブル & コネクタ仕様リビジョン2.0」で規定されています。この文書は、USB Type-Cコネクタ接続のUSB4をカバーしており、USB-IFのウェブサイトで無料で入手できます。

USB-Cコネクタは24ピンを使用します。USB Power Delivery（USB PD）、データ転送、オーディオ、ビデオ出力を1つのコネクタで実現しています。USB-Cコネクタの最大の特徴は、リバーシブルになっていることです。プラグをどちらの向きでもレセプタクルに挿入できます。これは、従来のUSB-Aコネクタでは挿入に問題があったユーザーにとって便利な機能です。この機能は、USB-Cプラグとレセプタクルの信号の割り当てを見ればわかります（図1）。

図1に示すセンターピンのレイアウトは、レセプタクルのものです。プラグの向きは2種類あります。上の図は通常の向き、下の図は180˚回転させた状態を示しています。プラグの方向に関係なく、プラグを挿入すると対応する信号が一致します。

図1：USB-Cプラグコネクタ（上、下）とレセプタクル（中）の信号割り当て。プラグを180˚回転させても、挿入時に対応する信号が正しく一致していることがわかります。（画像提供：Art Pini）

表1は、USB-Cコネクタの信号グループを示しています。信号グループの色は、図1に示した対応するコネクタのピン信号の色と一致しています。この表から、USB-Cコネクタが多様なアプリケーションに使用できることがわかります。 高速差動信号レーンは、最大40Gbit/sの転送速度に対応しています。USB4、代替モード、トンネリングプロトコルに使用されます。

表1：USB4コネクタ信号の概要。これらの信号には、2つの高速差動信号レーン、USB 2差動信号パス、電源とインターフェースの制御信号が含まれます。信号グループの塗りつぶし色は、図1に示した対応するコネクタのピン信号の色と一致しています。（表提供：Art Pini）

USB4でサポートされる代替モードのプロトコルには、Thunderbolt、DisplayPort（DP）、Mobile High-Definition Link（MHL）、Peripheral Component Interconnect Express（PCIe）、High-Definition Multimedia Interface（HDMI）などがあります。USB PDプロトコルのハンドシェイクにより、代替モードのプロトコルを追加で定義し、有効にすることができます。ハンドシェイクでは、構造化されたベンダー定義のメッセージ（VDM）を使用して、代替モードの検出と構成を行います。

また、USB PDでは、デバイスが電源から供給される電力レベルをネゴシエートすることができます。USB4は、20V、5Aで100Wの最大電力レベルをサポートします。この機能には、プログラマブルな電源が必要な場合があります。電力制御とアクティブケーブルにより、高速充電が可能です。デバイス間の電力契約は、構成チャンネル（CC）ラインを使用してネゴシエートされます。CCラインは、300キロボーの半二重で2相マークコーディングを使用します。

これらの異なるプロトコルに共通のコネクタを使用することには多くの利点があります。プロトコルは、オーディオ、ビデオ、データストレージ、データ通信のアプリケーションをカバーしています。また、新たに開発されているプロトコルの定義も可能になります。

コネクタのピン割り当ては、シグナルインテグリティを最大化するための常識的なレイアウトを示しています。たとえば、高速データラインとUSB 2データラインは差動方式を採用し、クロストークやEMIを最小限に抑えています。加えて、すべてのデータラインは、電源バスやグランドバス、その他の低帯域幅の信号ラインの間に配置され、アイソレーションを提供します。そして、高速データラインをレイアウトの反対側に配置することで、レーン間のクロストークを最小限に抑えています。

Amphenol ICCのUSB4レセプタクル製品の特長

Amphenol ICCは、USB4の設計課題に対応するため、従来の規格を上回る4つのUSB4 Gen 3レセプタクルを発売しました。これらの次世代コネクタは、USB4規格の最大40Gbit/sの高速データ転送速度を満たし、USB PDに対応しています。Thunderboltインターフェースは、1つのType-Cコネクタで、電力充電、トンネリングUSBおよびPCIeデータ転送を組み合わせています。これらのコネクタは、4K超高精細（UHD）のDisplayPortビデオとオーディオを、60Hzのリフレッシュレートでサポートします。

USB4コネクタの大きな特徴は、ビデオやデータを転送しながら帯域幅を動的に最適化できることです。新しいUSB4コネクタは、USB 2、3.1、3.2を含む以前のUSBバージョンをサポートし、下位互換性があります。加えて、プラグとケーブルの向きを回転させることができるため、USBユーザーの利便性が大幅に向上しています。小型で機能的な汎用性があり、新しい技術への組み込みに最適です。

機械的設計は、パワーと耐久性をサポート

Amphenol ICCのUSB4レセプタクルは、10,000回の嵌合サイクルで優れた性能を発揮するように設計されています。また、高い耐久性を実現し、サイクル動作による摩耗を低減しています。高品質の銅合金を採用した導電路設計により、40mΩの低損失な接触抵抗を実現しています。さらに5Aの電流定格により、最大100WのUSB給電を可能にしています。

このコネクタでは、ミッドプレートのサイドウォールを改良しています。接触面積を最大化することで、接触性能を安定させ、信頼性の高い接続を実現しています（図2）。

図2：Amphenol ICCのUSB4レセプタクルは、サイドウォールを強化しています。EMI保護を向上し、プラグの誤挿入に対する機械的保護を高めながら、安定した接続を実現しています。（画像提供：Amphenol ICC）

改良された機械的特徴には、延長したサイドウォールプレートがあります。このサイドウォールプレートは、レセプタクルのタングの角にまで達しており、マイクロUSBプラグなどのType-C以外のプラグが挿入されるのを防ぎます。同じサイドウォールをミッドプレートと一緒に接地することで、さらなるシールドを実現し、EMIを低減しています。また、内部シールドにはディンプルが設けられており、挿入時にプラグをガイドして正しい位置に保つことができます。機械的アセンブリ全体が安定したロック性能を発揮します。また、嵌合導電面の接触面積を最大限にオーバーラップさせることで、接触抵抗を最小限に抑えています。強力なクリック音で、完全に挿入されたことを確認できます。

Amphenol ICC製品ファミリ

Amphenol ICC製品には、4つのUSB4 Type-Cレセプタクルがあります（図3）。

図3：Amphenol ICCのUSB4 Gen 3 Type-Cレセプタクルには、トップマウントタイプが3種類、ミッドマウントタイプが1種類あります。（画像提供：Amphenol ICC）

GSB4D313302Y1HRトップマウントレセプタクルは、現在、USB-IFによって認証されています。また、IntelがThunderbolt 4に使用することを推奨しています。その外側シェルは、前から後ろまで均一な断面を持ち、センターハイト（取り付け面からコネクタのタングまでの距離）は1.58mmです。

12402056E512Aと12402073E512Aもスルーホールマウントのトップマウントレセプタクルですが、外側シェルは長方形でセンターハイトは1.57mmです。これらのレセプタクルの規格認証は申請中です（本記事の執筆時）。

12402075E512Aは、センターハイトがわずか0.47mmのミッドマウントレセプタクルで、コンパクトな構成となっています。また、スルーホールマウントを使用しています。このレセプタクルの認証も現時点で申請中です。

これらのレセプタクルは、いずれも-40°C～+85°Cの温度範囲で動作するように設計されており、車載用途に適しています。

USB4コネクタアプリケーション

これらのレセプタクルは、ストレージ、車載用インフォテイメント、ホームエンターテイメント、ドッキング、周辺機器のインターフェース（モニタ/ディスプレイ、プロジェクタ）、ノートパソコン（ラップトップ）やタブレットなどの民生用アプリケーションに使用されます。小型で、マルチモードに対応し、電源制御を提供するため、高い汎用性を実現しています。

まとめ

USB Type-Cコネクタは、複数の高速プロトコルと電力レベルに対応できます。ユーザーが高速なデータ転送速度、高速充電機能、コネクタの簡素化を求める中で、USB Type-Cコネクタは、多くの用途に使用されるようになるでしょう。USB4では、代替モードやトンネリングをサポートしています。これらの機能強化により、多様なアプリケーションや過酷な環境でもUSB4が広く採用されるようになるでしょう。Amphenol ICCのUSB4レセプタクルは、設計者がこの点を考慮できるように、基本的なUSB-IF仕様を上回るよう設計されています。また、EMIの影響を緩和し、多くのサイクルや広い温度範囲にわたって良好な接続を保証します。