特殊コネクタは車載対応USB-C接続を提供

ユニバーサルシリアルバス（USB）Type-Cコネクタは、一般消費者向けデバイス間の接続を標準化し、簡素化しました。また、車載システムの設計者は、インフォテイメントなど、安全性に関連しない高速機能にUSB-Cを使用することで、恩恵を受けることができます。しかし、民生用途向けに作られた従来のUSB-Cコネクタは、車載環境に必要な堅牢性、信頼性、安全性を備えていません。

この記事では、USB-Cの概要と、USB-Cを車載設計に組み込む際に設計者が直面する課題について説明します。そして、設計者がこれらの課題に対処するために使用できるHiroseのUSB-Cコネクタをご紹介します。

USBの進化

基本的なType-Aフォームファクタから始まったUSBは、民生用、試験計測用、さらには産業用アプリケーションにおいて、パラレルポートやRS-232などの多くのレガシーバスを置き換えてきました。これは、プラグアンドプレイの使いやすさ、低コスト、小型、迅速かつ簡単な抜き差し、電源とデジタル信号の両方を扱う能力、幅広いベンダーサポートによるものです。強化されたUSB-Cバージョンは、より小さな物理的サイズ、速い速度、高い電力処理能力、およびリバーシブルコネクタをもたらしました。

USB-Cは大成功を収め、すべての新型スマートフォンや小型消費者向けデバイスへの採用が義務付けられ、極めて高い普及率とデバイスの相互運用性の向上をもたらしています。標準USB-Cは8.4mm x 2.6mmのサイズで、24ピンを有します。本体とピンは対称構造（リバーシブル）となっており、機械的な上下方向のキーイングは不要です。また、データ通信と充電を同時に行うこともできます。その拡張機能は、DisplayPort AltモードとHDMIアダプタおよびブリッジをサポートし、オーディオおよびビデオデータを伝送することができます。

これらの特長は、車載エンターテインメントシステムの設計者にとって有益です。ここでUSB-Cは、他の接続オプションに比べて低コスト、利便性の向上、軽量化の可能性も提供し、既存のUSBリソースの幅広いエコシステムも提供します。

車載アプリケーション向けのUSB-Cは有望である一方、設計者は極端な振動や温度変化、高い電磁妨害（EMI）、USBケーブルとコネクタのミスマッチによる潜在的に重大な不具合に直面しています。

車載向けUSB-Cの実現

適切なコネクタへのニーズに応え、Hiroseは、車載環境特有の要件を満たすUSB-Cコネクタ「AU1」シリーズを発表しました。このシリーズのコネクタは、USB 3.2 Gen2、DisplayPort 1.4、HDMIなどの規格をサポートし、内部と外部のデバイスを接続します。既存のHirose CXシリーズを基盤として構築され、シームレスに動作します（図1）。

図1：車載対応USB-Cコネクタ「AU1シリーズ」（下）は、CXシリーズ（上）を構成要素として使用しています。（画像提供：Hirose）

この革新的な組み合わせにより、20Gbit/s（USB 3.2 Gen 2×2）の一貫した高速データ転送、240W（USB Power Delivery 3.1 Extended Power Range（48V、5A））の電力レベル、インフォテイメントシステム全体にわたる信頼性の高い接続が可能になり、高度な機能とシームレスなシステム統合をサポートします。

AU1シリーズのコネクタは、確実な嵌合、振動や熱に対する耐性、厳しい環境下での信頼性の高い性能を提供します。これにより、このシリーズは、この人気のあるコネクタタイプを、本来の用途よりもはるかに厳しい環境で使用することを可能にしています。

このシリーズのコネクタアセンブリは、ストレートと直角の方向をサポートしています（図2）。これにより、設計者は、制約の厳しい車載環境内でのケーブル配線において柔軟性を得られます。

図2：AU1シリーズのコネクタは、ストレートおよび直角の配置に対応しています。デモボードは使用中のコネクタを示しています。（画像提供：Hirose）

確実で正確な嵌合の確保

これらのコネクタは、コネクタ位置保証（CPA）ユニットとキーイングを含む独自の特性を備えています。CPAユニットは、確実で正確な嵌合をサポートします。指で操作するラッチ（図3）は、安全な機械的ペアリングを提供し、ラッチ動作が成功したことをユーザーに知らせる可聴クリック音を発します。

図3：CPAユニットは、嵌合するコネクタが完全に嵌合した後、意図的に解除されるまでロックされ、所定の位置に保持されることを保証します。（画像提供：Hirose）

動作中、CPAユニットは嵌合が完了するまで動くことができません。プラグが完全に嵌合すると、レセプタクルがCPAユニットを押し下げ、ロックされた位置に移動させます。嵌合を解除するには、CPAユニットを引き、2次ロックを解除します。解除時にはクリック感が確認できます。

軸方向または半径方向にずれがある場合、コネクタの両半分はクリック音を発せず、不正確な嵌合をユーザーに知らせます。これらのコネクタは、10,000回を超える嵌合サイクルに対応しており、車載環境における想定使用をはるかに超える耐久性を有しています。

キーイングは、間違ったケーブルを、対象の嵌合コネクタに嵌合させることを防ぐことができます。前述したように、民生用USB-Cケーブルの便利な特長の1つは、リバーシブルであることです。これはまた、どのプラグの端がどのレセプタクルに接続されるかを物理的に識別するキーイングや方法がないことを意味します。キーイングがないことは、一般消費者向けアプリケーションにおける「さっとケーブルを手に取って」差し込む/抜くといった環境では利点となります。しかし、車載アプリケーションでは「差し込んだらそのまま放置する」状況が多く、高密度な車載用ケーブルハーネスを取り付ける際には誤配線のリスクが生じます。このような場合、誤ったペアリングは、リンクが機能しないことによるフラストレーション、周辺機器への損傷の可能性、システムやユーザーへの潜在的な危険性につながる恐れがあります。

誤配線を防ぐため、AU1シリーズの車載グレードUSB-Cコネクタは、標準コード（黒）と「Aキー」コード（グレー/ナチュラル）の2種類の物理干渉キーコードをサポートしています（図4）。これらの2つのキー配置により、隣接する2本のケーブルとコネクタの場合、誤ったペアリングは物理的に不可能となります。色の違いも2つのキーコードの識別に役立ちます。

図4：ユーザーは、ケーブルの接続エラーを最小限に抑えるために、2種類の機械的キーイングのいずれかを使用できます。標準的なキーが付いたコネクタは黒で、「Aキー」が付いたコネクタはグレー（オス）/ナチュラル（メス）です。（画像提供：Hirose）

規格と電気的性能

数値は、これらのHiroseコネクタの環境および電気的性能を定義しています。環境性能の面では、-40°C～+105°Cの温度範囲で動作します。さらに、コネクタタイプに応じてIP54、IP68、IP69Kの防水・防塵性能を備えています。IP69Kは、塵や水の浸入に対して3つの中で最も厳しい保護等級となります。

このコネクタは、USCAR（米国自動車研究協議会）-2およびUSCAR-30規格に準拠しており、信頼性が保証されています。USCAR-2は車載用電気コネクタシステムの性能規格であり、低電圧道路車両アプリケーションにおける端子、コネクタ、部品の要件を概説しています。USCAR-30は、車載用USB接続システムの性能仕様で、USBコネクタ、ケーブル、および車載の民生用周辺機器とUSBコンピュータソース間の電気的接続に関する要件をカバーしています。

電気的には、電源ピン（A4/A9/B4/B9（VBUS））はUSB-C仕様に準拠した1.25A定格で、非電源ピンは0.25A定格であり、いずれも20V_ACおよびV_DCで動作します。初期接触抵抗は最大40mΩで、規格で定められた一連のストレステストの後、50mΩ以下にわずかに上昇します。

AU1コネクタの指定と組み立て

標準的な民生用ACラインプラグなどのシンプルなコネクタは、ほとんどの場合、ユーザー指定の部品がなく、完成品ですぐに使用できます。しかし、AU1コネクタなどの高度な相互接続は、多くの個別部品で構成されています（図5）。設計者は、アプリケーションの要件に合わせて、これらの部品のいくつかを特注することができます。

図5：完全なAU1コネクタアセンブリの部品には、1）USB-Cプラグ、2）回路基板、3）ワイヤホルダ、4）ケーブル、5）シールド1、6）シールド2、7）内側モールド、8）オーバーモールド、9）ハウジングとCPA、10）リテーナが含まれます。（画像提供：Hirose）

図6は、ユーザーが指定できる部品のいくつかを示しています。これには以下の部品が含まれます（上段、左から右へ）。

• AU1MS-24S-SLDA(805)コネクタシールド
• AU1MS-24RS(805)コネクタリテーナ
• AU1MS-24S-HU/C(805)ラッチロックハウジングおよびCPA（黒の標準キー付きプラグ用）（またはAU1MSA-24S-HU/C(805)ラッチロックハウジングおよびCPA（グレーのAキー付きプラグ用）、リテーナ、シールドケース、プラグユニット付き
• CX60-24S1-UNITストラドルマウントプラグコネクタ内部ユニット。追加のプラグユニットが必要な設計者向けに個別でも入手可能

プラグはコネクタに関する課題の一部に過ぎません。それに合ったレセプタクルが必要だからです。HiroseのUSB-Cコネクタでは、設計者はこれら2つのバージョンから選択可能です（図6、下段、左から右へ）。

• AU1FS-24P(805)スルーホール、ストレートUSB-Cレセプタクルコネクタ（プリント回路基板への取り付け用）
• AU1FRA-24P(805)直角レセプタクルコネクタ

図 6：ユーザーが指定できるコネクタ部品には、（上段、左から右へ）AU1MS-24S-SLDA(805)コネクタシールド、AU1MS-24RS(805)コネクタリテーナ、AU1MS-24S-HU/C(805)ラッチロックハウジングおよびCPA（黒の標準キー付きプラグ用）、CX60-24S1-UNITストラドルマウントプラグコネクタなどがあります。レセプタクルオプションには、（下段、左から右へ）AU1FS-24P(805)スルーホール、ストレートUSB-CレセプタクルおよびAU1FRA-24P(805)直角レセプタクルなどがあります。（画像提供：Hirose）

まとめ

USB-Cコネクタは、使いやすさ、速度、電力処理の面で優れた性能特性を備えています。しかし、基本的な民生向けコネクタは、車載設計において機械的に適していません。AU1シリーズ コネクタは、Hiroseの定評あるCXシリーズを基盤として、車載用アプリケーションに適した堅牢で高性能なType-Cコネクタを実現し、関連する業界仕様および規格に適合しています。