評価キットを使用した、制御された環境でのUSB Type-C™およびUSB PD製品の開発とテスト

著者 Steven Keeping（スティーブン・キーピング）

DigiKeyの北米担当編集者の提供

2019-10-09

最新のUSBコネクタまたはケーブル、電力供給（PD）、およびプロトコル仕様（それぞれUSB Type-C、USB PD 3.0、およびUSB 3.2）により、コネクタが使いやすくなっており、USBのデータスループットと電力供給機能が向上しています。ただし、新しい仕様の利用に意欲的な設計者は、実装に数多くの課題があることに気付いているでしょう。特に、高電圧と高電流のサポートにより、互換性のない周辺機器が破損したり、ケーブル、コネクタ、およびポートがオーバーヒートしたりするおそれがあります。

USB Type-CとUSB PDに慣れていない開発者に必要なものは、制御された環境で適切なソフトウェアインターフェースを使用して新技術を試す手段です。これに対応するために、USBシリコンベンダーは、電源、PCへのUSB接続、および最新世代のUSBチップを含む基板とソフトウェアを搭載した評価キット（EK）を導入しています。このEKを使用すると、開発者は、ユーザーフレンドリーなインターフェースを備えた実績ある設計を使用してUSB Type-CとUSB PDを構成してみることができます。また、EKを開発者のプロトタイプのリファレンス設計として使用することもできます。

この記事では、最新のUSB Type-C仕様の主要な特性と、実装の複雑さについて説明します。また、ON Semiconductor、STMicroelectronics、およびTexas Instrumentsが提供するキットを紹介し、これらのキットを使用して新しいUSB技術の機能を安全に試す方法を示します。評価キットおよび基板のベースとなっている内蔵部品を新しい製品に設計し直して、性能の向上を活用しながらスペースを節約して部品数を減らすことができます。

USB Type-Cの複雑さの管理

USB Type-CとUSB PDによる多用途性は、構成可能なケーブル、ポート、および電源設定によって実現します。USB Type-Cコネクタは、CCを使用して接続を電子的に検出し構成します。USB Type-Cポートは、ホスト専用ポート、デバイス専用ポート（従来のUSBのホストとデバイスのロールで機能）、またはデュアルロールポート（DRP）にすることができます。ホストは下向きポート（DFP）で、デバイスは上向きポート（UFP）です。

USB Type-Cのその他の利点は次のとおりです。

デュアルロールポートを再構成できます。たとえば、ポータブルコンピュータは、ミニファンへの電力供給時にモニタまたはDFPによって充電される場合にUFPとして機能します。
V_BUSでUSB Type-C規格電源とUSB PDのどちらが使用されているかを電子的に判別し、必要に応じてV_CONNを構成することができます。
オプションのオルタネイトモードとアクセサリモードがサポートされます。

ポートコントローラはPDコントローラと連携して電力の要件と方向をネゴシエートし、たとえば、スマートフォンのようなバッテリ容量の少ないデバイスがポータブルコンピュータのような高出力要件を持つデバイスに電力を供給しようとしないようにします。多くの場合、ポートコントローラにはマイクロコントローラが組み込まれているため、外部デバイスが電力トランザクションを監督する必要はありません。

複雑さを管理して適切な設計を実現できるように、USBチップサプライヤは評価キットを導入しています。評価キットでは、設計者は最適化され保護された回路を試用して、用途に最適なUSB Type-CおよびUSB PDの構成を評価できます。たとえば、ON SemiconductorのSTR-USBC-4PORT-200W-EVKは、USB Type-Cの4つのポートを搭載した200WのEKです。このキットを使用すると、開発者は、5V、9V、15V、および20Vの電圧出力と最大5Aの電流で、ポートあたりの最大出力が100WのUSB PD 3.0の機能を試すことができます。電源の制限により、このEKは4つのポート全体で合計最大出力が200Wに限定されています。

STR-USBC-4PORT-200w-EVKは、USB PDポートコントローラ、高電圧保護スイッチ、および降圧電源コントローラで構成されています。90～265Vの入力で動作するAC/DC電源を搭載しています。過電流保護と熱保護が組み込まれています。このEKにはON SemiconductorのStrataソフトウェアが付属しており、電力プロファイルのテスト、さまざまな障害およびフォールドバック機能の実験、接続デバイスに可変充電負荷を与えた際のシステムテレメトリの監視を行う構成ツールを使用できます（図2）。

図2：ON SemiconductorのUSB Type-C EKは、200WのAC/DCフロントエンドと4ポートのUSB PD出力を備えています。（画像提供：ON Semiconductor）

このEKのポートコントローラはON SemiconductorのFUSB307Bで、USB PD機能を搭載したUSB Type−Cポートコントローラ（TCPC）を実装するように設計されています。チップは、USB Type-Cポートマネージャ（TCPM）の標準化されたインターフェースを備えたTCPCとしてUSB PDインターフェース仕様に準拠しており、手動による脱着を検出できるUSB Type-C検出回路が組み込まれています。チップのタイムクリティカルなPD機能は自律的に処理されるため、システムマイクロコントローラまたはTCPMを使用する必要はありません。

STMicroelectronicsはSTEVAL-ISC004V1 USB PD EKを提供しています。このEKは、同社のSTUSB4710A USB PDコントローラをベースにしたすぐに使えるUSB PDソースで、固定電圧のDC電源入力をUSB PD可変電圧出力に変換する方法をデモンストレーションします。USB PDコントローラはUSB Type-C CCを介して通信し、接続デバイスに供給する所定量の電力をネゴシエートします。マイクロコントローラのサポートなしでDFPまたはUFPへの接続を処理できます。

Texas Instruments（TI）も、USB Type-CドッキングステーションインターフェースEKのUSB-CTM-MINIDK-EVMを提供しています（図3）。このEKは、USB PD、オーディオ、USBデータ、電源、およびビデオを含むUSB Type-Cドックのリファレンスソリューションです。USB Type-Cの1次PDポートでソースとシンクの両方の電源機能をサポートします。外部USB Type-C充電器から電力が供給されると、ドックは3Aで5V、5Aで12～20Vを調達できます。

このEKには以下が組み込まれています。

TUSB8041：DFPとUFPの両方を介して最大でSuperSpeedのUSBを提供できる、4ポートのUSB 3.0ハブコントローラ。
TUSB321：ポートの脱着、ケーブル方向、およびロール検出を判別するためのTCPC。チップはDFP、UFP、またはDRPとして構成できます。
TPS65982：USB PDのネゴシエーションとパワーパスの有効化を行うUSB Type-Cコントローラ。

Texas InstrumentsのUSB-CTM-MINIDK-EVM USB Type-CインターフェースEKの図図3：TIのUSB-CTM-MINIDK-EVM USB Type-CインターフェースEKは、USBデータ、USB PD、オーディオ、およびビデオを含むUSB Type-Cドックのリファレンスソリューションです。（画像提供：Texas Instruments）

ON Semiconductor、TI、およびSTMicroelectronicsのEKを使用すると、技術者はUSB PDを搭載したUSB Type-C設計のセットアップと構成のプロセスを把握できます。

ON Semiconductor EKでの開発は、同社のStrata Developer Studioを使用して行います。開発者はまず、EKにAC電圧を加えてUSB Mini-BケーブルでPCに接続し、ログインして、PCがEKを検出して関連コンテンツをダウンロードできるようにする必要があります。

開発者はシステムの基本設定を行うことができます。この設定には、最大システム電力（30～200W）、4つのポートからの合計PD「コントラクト」がAC電源からの合計電力を超えないようにする設定、ポート1に割り当てられた量の電力が常に供給され、その他のポートで残りの電力を共有する「保証電力」設定などがあります。また、フォールト状態を示す温度閾値を特定するフォールト保護設定もあります。

その後、開発者は次のような個々のポート設定を試すことができます。

最大ポート電力：設定すると、上限を超えるコントラクトが提供されなくなります。
電流の制限：0～6A。
ケーブル補償：高電流の調達時にシンクデバイスでの電圧降下を低減します。
アドバタイズ済みプロファイル：デバイスを接続すると、シンクデバイスに提供されているプロファイルのリストが表示されます。

ブラウザにアクセスすると、USBポートへの合計入力電圧および電力や、プロファイル（ボルト）、PDコントラクト（ワット）、出力電圧および電力、温度、効率などの各ポートの性能に関する情報を詳しく確認できます。EKをオシロスコープに接続すると、V_BUSトランジションなどのさらに詳細な性能情報を表示できます（図4）。

図4：ON SemiconductorのUSB Type-C EKをオシロスコープに接続すると、チップの動作特性の詳細な分析を表示できます。（画像提供：ON Semiconductor）

STMicroelectronicsのEKは、ON SemiconductorのEKと同様に機能します。22V（最小）のDC電源およびUSB Type-Cコネクタを備えた周辺機器に接続すると、EKに搭載されたUSB PDコントローラの設定を、PCへのI²Cインターフェースを介して不揮発性メモリから読み取ることができます。開発者はPCインターフェースで、最大5つのPD電圧および電流出力、ピーク電流、および不足電圧と過電圧のロックアウトを再構成できます。PCで設定したこれらのプロファイルは、USB PDコントローラのメモリにプログラムして、接続された周辺機器への電力供給に使用できます。

TIのEKは、同社のUSB Type-Cイネーブラボードと併用する必要があります。イネーブラボードを、USB Type-AとUSB Type-B間のケーブルおよびDisplayPortケーブルでPCに接続します。次に、EKをUSB Type-CケーブルでUSB Type-Cイネーブラボードに接続します。開発者は、USB 3.0ハブ、TCPC、およびUSB Type-Cコントローラの構成をPCから直接試すことができます。

まとめ

USB Type-CとUSB PDを利用すると、接続された周辺機器への電力の供給またはそのバッテリの充電について、消費者の利便性、スループット、および電力供給が向上します。ただし、複雑さも増すため、USB Type-Aシステムにしか慣れていない開発者にとって実装は困難になります。

前述のように、USB Type-CとUSB PDに慣れていない開発者は、主要なUSBシリコンプロバイダが提供する評価キットを活用して、制御下で使いやすいユーザーインターフェースを介して技術を試すことができるようになりました。また、EKを開発者のプロトタイプのリファレンス設計として使用することもできます。