基板実装用USB 3.2 Gen 2およびUSB4レセプタクルの注意点

USB Type-Cコネクタ（USB-C）との初めての出会いは素晴らしい体験でした。USB-Aコネクタのプラグを相手側のレセプタクルに差し込もうとすると、プラグが逆さまになっていることに気づくということを何年も繰り返してきましたが、プラグの向きに関係なく嵌合できるUSBコネクタを見つけることができました。これは私が今、USB-Cコネクタから連想する不思議のひとつに過ぎません。このコネクタタイプは、信号の安全性と電磁妨害（EMI）の要件を満たしながら、最大40ギガビット/秒（Gbps）のデータレートで電力と複数のデータプロトコルおよびディスプレイプロトコルを共有することもできます。

プリント回路基板（プリント基板）にUSB-C接続を実装する際、設計者は常に、信頼性の高い接続を確保しながらスペースを節約する必要に迫られています。Stewart Connector のUSB-Cレセプタクルは、これらの相反する要件を満たすように設計されています。USB 3.2 Gen 2（旧USB 3.1）（左）またはUSB4（右）の仕様に準拠したレセプタクルを図1に示します。

図1：USB3.2 Gen 2（左）とUSB4（右）用のUSB-C基板レセプタクルを示します。（画像提供：Stewart Connector）

直角レセプタクルはシールドされており、低速で動作する以前のUSBバージョンと下位互換性があります。SS-52400-002 および SS-52400-003 はUSB 3.2 Gen 2に準拠し、それぞれ、0.039インチ（in.）（1ミリメートル（mm））および0.063インチ（1.60mm）の基板厚に適合します。SS-52400-005 はUSB4準拠で、厚さ0.047インチ（1.20mm）の基板に適合します。

前述の通り、USB-Cのプラグとレセプタクルはリバーシブルになっています。コンタクトはオスとメスの両方向で嵌合するように配置されています。このコネクタは、USB Power Delivery（USB PD）規格に準拠した電力供給、データ転送、オーディオ/ビデオ出力を1つのセットで提供します。USB-Cレセプタクルの信号割り当てを図2に示します。

図2：USB-Cレセプタクルの信号割り当てを示します。（画像提供：Stewart Connector）

USB-Cコネクタには、表1に示すように、データと電力転送のために多くの信号が用意されています。

表1：USB-Cコネクタは電力分配、代替データモード、USB互換モードをサポートしています。（表提供：Art Pini氏）

USB PDはインテリジェントな電力供給仕様です。チャンネル構成（CC）ラインを使用して、ソースとシンク（負荷）間の電力契約をネゴシエートします。電圧レベルは5ボルトより高くすることができ、プログラマブル電源も認められています。

Stewart Connector SS-52400-002およびSS-52400-003 USB 3.2 Gen 2レセプタクルは、20ボルト、5アンペア（A）で100ワットの最大電力レベルをサポートします。SS-52400-005 USB4レセプタクルの定格出力は20V、7Aで、140Wです。すべてのUSB-Cレセプタクルの動作温度範囲は-40～105°Cです。

USB PDはデバイス間の電力契約を設定した後、ベンダー定義メッセージ（VDM）を使用してDP（Display Port）のようなオルタネートモードのデータリンクを開始します。その後、DPはリンクトレーニングを進め、DPソースとシンクの関係を確立し、ビデオやオーディオのようなストリーミングデータのための堅牢な接続を確保します。DP補助（AUX）信号はSBU（SBU1およびSBU2）信号ピンを使用します。AUXチャンネルは、リンク管理およびテストモード制御を行います。SuperSpeed SSTx1、SSTx2、SSRx1、SSRx2 ラインは、高速データリンクを提供する差動データパスを形成します。専用のDpラインとDnラインは、古いUSB規格（USB 2以下）との互換性を維持します。

USB PDは電力供給だけでなく、オルタネートモードで使用されるさまざまなプロトコルの同期も行います。対応するシリアルデータプロトコルには、Thunderbolt、DisplayPort、高精細度マルチメディアインターフェース（HDMI）、モバイル高精細リンク（MHL）があります。インターフェイスの追加はVDMで簡単にできます。

Stewart ConnectorのUSB-Cレセプタクルのスリムなデザインは、利用可能な基板面積を最大限に活用することで、さらなる価値を提供します。レセプタクルは、スルーホールと表面実装ピンを使用したハイブリッドピン設計で、プリント基板の上層と下層に接続します。製造面では、USB-Cレセプタクルは自動化されたピックアンドプレース作業用にテープ＆リールに梱包されています。

まとめ

リバーシブルのコネクタはエキサイティングかもしれませんが、USB-Cにはそれ以上の魅力があることがすぐにわかります。さまざまなオーディオ、ビデオ、データストレージ、通信プロトコルに対応する標準コネクタを提供します。また、新しく開発されつつある規格にも対応しています。Stewart Connectorのソリューションは、信頼性が高くコンパクトなUSB-Cプリント基板接続を保証することで、設計者のニーズに応えます。