USB-Cでコネクティビティを簡素化する方法

パソコン、ラップトップ、タブレット端末は小型化が進み、インターフェースや電源コネクタのスペースはほとんどありません。同時に、データレートは上昇し、データ、オーディオ、ビデオのインターフェース規格は増加し、それぞれに特徴的なインターフェースコネクタが存在します。しかし、ユーザーはシンプルさと柔軟性を求め続けています。これらの問題を解決するのが、USB Type-C™（USB-C）物理コネクタです。

この記事では、最新のコネクティビティ要件と、USB-Cを使用することでそれらがどのように満たされるかについて簡単に説明します。Tripp Lite by EatonのUSB-Cドッキングステーション、コネクタ、ケーブルの例を紹介し、デバイスコネクティビティを簡素化するためにこれらをどのように使用できるかを示します。

USB規格

USBインターフェース規格は、キーボード、マウス、リムーバブルメモリなどのコンピュータインターフェース用の周辺機器バスとして始まりました。この規格は長年にわたり、コンピュータ、周辺機器、携帯電話の主要なインターフェースとなるべく、一連の規格へと成熟してきました。また、パワーデリバリ（PD）が追加され、DisplayPort（DP）、Ethernet、高解像度マルチメディアインターフェース（HDMI）など、さまざまなプロトコルのトンネリングが可能になりました。最新バージョンのUSB4は、40ギガビット/秒（Gbps）のデータ転送速度と最大240W（Rev.3.1）のPDをサポートします。また、USB 3.2やUSB 2.0のような以前の標準バージョンとの後方互換性も維持しています。

USBで使用されるコネクタは、当初のUSB-Aコネクタ、USB-Bコネクタとその亜種から、現在のUSB-Cコネクタへと進化してきました。最大10Gbpsのデータ転送をサポートするUSB 3.2 Gen 2は、旧来のUSB-AおよびUSB-Bコネクタを使用できる最後のUSB規格でした。USB 3.2 Gen 2x2は20Gbpsのデータレートをサポートし、USB4と同様にUSB-Cコネクタを必要とします。

USB-Cコネクタ

USB-CのようなUSB物理コネクタは、USB4のようなUSBインターフェース規格とは異なります。プラグとレセプタクルで構成されるUSBコネクタは、USBインプリメンターズ・フォーラム（USB-IF）によって個別に規定されています。USB-Cコネクタは、そのスループットと電力能力の割に小型で、USB-Aのマイクロコネクタよりわずかに大きいだけであるため、小型機器に適しています。

USB-Cコネクタでは、どちらの向きでもコンタクトが合うように配置された24本のピンを使用し、コネクタをリバーシブルにしています。USB-Cコネクタの信号ピン配置を見れば、USB規格の電源、データ、制御機能がわかります（図1）。

図1：USB-Cコネクタの信号ピン配置を示します。対応するコンタクトはどちらの向きでも嵌合可能であるため、コネクタがリバーシブルになります。（画像提供：Tripp Lite by Eaton）

USB PDは対話型の電力供給仕様であり、デバイスがVBUSピンとグランドピンを使って供給源、電力シンク（負荷）、電力レベルをネゴシエートできるようにします。4つのVBUS電源端子と4つの電源グランドがあります。最大電力レベルは、デバイスで使用されているUSB規格によって定義され、USB PD仕様に準拠しています。USB PDでは、電源と負荷デバイスの間の電力コントラクトは、チャンネル構成（CCx）ラインを使ってネゴシエートされます。

CCxラインは、接続方向とチャンネル構成を検出するために使用されます。また、電源制御やUSB PDとのシグナリングにも使用されます。USB PDでは、5Aの電流レベルで48Vの電源電圧に基づき、240Wの最大電力レベルが利用可能です。すべてのUSB-CケーブルはCCxラインを含み、USB PDに対応していますが、USB PDで指定されている電圧と電流の全範囲はサポートしていない場合があります。対応する電力レベルについては、ケーブルのデータシートを参照する必要があります。

専用のD+ラインとD-ラインは、現在のUSBバージョンよりも低いデータレートで動作する古いUSB 2.0規格との互換性を維持します。

青くハイライトされたピンは4つの差動信号ペアを含み、SuperSpeed USBをサポートする2つのデータレーンを形成します。USB 3.2 Gen 2x1のデータレートは10Gbps、USB 3.2 Gen 2x2のデータレートは20Gbps、USB4 Gen 3x2のデータレートは40Gbpsに対応しています。

サイドバンド使用（SBU1およびSBU2）ラインは、USB-C仕様がサポートする代替メディアモードで使用される補助信号で、コネクタセットの多目的利用を可能にします。AUXチャンネルでは、リンク管理とテストモード制御を行います。デバイス間の電力コントラクトを設定した後、USB PDはDPのようなオルタネートモード（Altモード）のデータリンクを開始することができます。これは、SBUリンク上でベンダ定義メッセージ（VDM）を使用してAltモードハンドシェイクをネゴシエートします。DP Altモードネゴシエーションの後、DPは接続を確立するためにリンクトレーニングを行います。DPリンクトレーニングは、DPソースとシンクの間のリンクを最適化し、ストリーミングデータのロバストな接続を保証します。USB-CケーブルはDP Altモードにより、USBデータ、ビデオグラフィックアレイ（VGA）、デジタルビジュアルインターフェース（DVI）、HDMI、DPビデオ信号を扱うことができます。

USB経由で代替プロトコルを送信するオプションとして、プロトコルトンネリングがあります。プロトコルトンネリングでは、あるプロトコルでデータパイプを作り、別のプロトコルのデータをケーブル経由で送信します。このメカニズムにより、USB-Cトンネルはデバイス間でDPデータやPCIeデータを送信することができます。

USB-Cケーブル

USB-Cケーブルは、使用するUSB規格に合わせて、さまざまな長さ、電力処理、データ転送速度を提供します。Tripp Lite by Eatonは、USB-Cコネクタを使用するデバイスに幅広い機能と拡張オプションを提供するために、ほぼ100種類のUSB-Cケーブルを提供しています。

その好例が、両端にプラグが付いたUSB4ケーブルであるU520-31Nです。DP Altモードをサポートし、60Hzのリフレッシュレートで4Kまたは8Kのビデオ解像度を提供します。U520-31NはUSB PDにも対応しており、20Vで5A、100Wの電力を供給します。ケーブル長は2.6フィート（0.7925m）で、最大定格転送速度は40Gbpsです。USB-Cケーブルの最大転送速度は長さに反比例して変化することに注意してください。

比較のため、MTB3-01M5-5A-B（図2）はUSB 3.2 Gen 2x2互換ケーブルで、20Gbpsの転送レートでデータを扱うことができ、60Hzの4Kビデオ解像度に対応しています。USB4ケーブルと同様、100W定格のUSB PDに対応しています。このケーブルの長さは5フィート（1.5m）であるため、最大データレートは低くなります。

図2：MTB3-01M5-5A-Bは、最大20GbpsのデータレートをサポートするUSB 3.2 Gen 2x2ケーブルです。（画像提供：Tripp Lite by Eaton）

USB-Cアダプタ

アダプタはコンピュータの入出力（I/O）ポートに取り付けられ、そのプロトコルを別の規格に変換します。例えば、Tripp Lite by EatonのU436-06N-GB-Cは、USB 3.0、USB 3.1 Gen 1、またはUSB 3.2 Gen 1を使用するデバイスで最大5Gbpsのデータレートで動作するUSB-C to Gigabitネットワークアダプタです（図3）。

図3：U436-06N-GB-Cは、USB-C充電ポートを備えたUSB-C to Gigabit Ethernetアダプタです。（画像提供：Tripp Lite by Eaton）

入力コネクタはUSB-Cプラグで、出力はEthernet RJ-45ジャックです。このアダプタには、最大60W（20V、3A）を供給できるUSB-Cジャックも搭載されています。このアダプタを使用すると、ワイヤレス接続が利用できない場合や遅すぎる場合に、USB-Cのみ対応のラップトップで有線Ethernet接続を使用できるようになります。

USB規格がさまざまなプロトコルに対応することを考えれば、マルチポートアダプタが登場するのも自然なことです。これらのアダプタは、小型のラップトップではもはや利用できないデータ通信ポートを提供することが多くあります。

その好例がU444-06N-H4GUC2です。このアダプタは、コンピュータのUSB-Cポートからデジタルオーディオ、60Hzの4Kビデオ、USB PD、Gigabit Ethernetに対応します（図4）。

図4：U444-06N-H4GUC2マルチポートアダプタは、HDMI、Ethernet、USB-C充電ポート、USB-Aポートをコンピュータに追加します。（画像提供：Tripp Lite by Eaton）

U444-06N-H4GUC2のUSB-Aポートは7.5W（5V、1.5A）、USB-C充電ポートは25W（5V、5A）を供給できます。

ラップトップをワークステーションに変えるドッキングステーション

ドッキングステーションは、USB-Cコネクタを介して複数のポートを追加することで、ラップトップのコネクティビティを拡張します。これらは基本的に、ラップトップを多機能ワークステーションに変えるものです。たとえば、Tripp Lite by EatonのU442-DOCK2-S USB-Cドッキングステーションは、HDMI、mini DP、VGA、Ethernet、SDおよびmicroSDメモリ、USB-C電源供給、3つのUSB-Aコネクタ用の専用ポートを追加します（図5）。3.5mmヘッドフォンジャックも含まれます。

図5：U442-DOCK2-S USB-Cドッキングステーションは、オーディオ、ビデオ、メモリ、USB、Ethernetなど、ラップトップで利用できるポートの数と種類を増やします。（画像提供：Tripp Lite by Eaton）

mini DPポートとHDMIポートは4K x 2K解像度、30Hzのビデオに対応し、VGAポートは1080P解像度、60Hzに対応します。Ethernet RJ-45ポートは、10/200/1000メガビット/秒（Mbps）のEthernetに対応しています。3つのUSB-Aポートは、キーボード、マウス、フラッシュドライブ、プリンタ、スマートフォンなどのUSB周辺機器に使用できます。また、最大7.5Wの直流電力（5V、1.5A）を供給します。双方向USB-C充電ポートは最大60W（20V、3A）に対応します。

ラップトップのUSB-CポートにUSB規格のマルチプロトコル機能を使用することで、このような多様なインターフェースが可能になります。

まとめ

USB-Cコネクタは最大40Gbpsのデータスループット、最大120WのPDをサポートし、リバーシブルとなっています。その能力を最大限に活用するために、Tripp Lite by Eatonは、ケーブル、アダプタ、ドッキングステーションの形で、1つのUSB-Cコネクタから強力な機能性とコネクティビティをサポートする多種多様なUSB-Cソリューションを提供しています。