USB Type-C 給電コネクタ : 設計、最適化、相互運用性

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この記事では、MPSの製品を使用してUSB Type-Cコネクタを最適化する方法にハイライトを当てながら、USB Type-Cコネクタのしくみ、定義方法、および一般的な用途について説明します。

USB Type-Cコネクタ

USB Type-C (USB-Cとも呼ばれる) 仕様は、2014年に公開されました。これらのコネクタは、USB Type-Aなどの古いUSBコネクタよりもすぐれているため、すぐに人気を博しました。USB Type-Cコネクタはリバーシブルです。つまり、ポートに挿入するときに特定の方向を必要とせず、従来のコネクタよりも小さくなっています (図1参照)。特に、USB Type-Cコネクタははるかに高い電力を処理できるため、より幅広いポータブルアプリケーションに実装できます。

図1 : USB Type-AコネクタとUSB Type-Cコネクタ

USB Type-C 電力検出

USB Type-Cコネクタには、特定の電力検出およびネゴシエーションインタフェースがあります。ユーザーがUSB Type-Cケーブルを製品に接続するタイミングを考慮してください。USB Type-A電源は常に5Vを出力します。一方、USB Type-C電源は通常オフです。これは、USB Type-Cコネクタが別の構成チャネル (CC) ピンに検出機能を備えており、ケーブルの両端で接続を検出した後、いつオンにするかを決定するためです。

さらに、CCピンにより、電流レベルの検出と、電源 (ソース) と電力消費者 (シンク) 間の役割の方向付けが可能になります。これにより、USB Type-C製品は従来の5VのUSB製品との互換性を維持しながら、CCピンでの電力ネゴシエーションも利用するUSB電力供給 (USB PD) プロトコルを使用して、より高い電力検出を可能にします。

図2は、USB Type-C電力検出の基本を示しています。

図2 : CCピンのUSB Type-C構成チャネル

USB Type-Cの電力レベル

前述のように、USB Type-Cコネクタは非常に強力で、USB PD、USB 3.1、DisplayPortなど、さまざまな新しい規格をサポートしています。古いUSBコネクタは、単方向で7.5W以上を提供できますが、USB Type-Cは、標準ケーブルと最小限の追加回路で15Wまでの単方向および双方向アプリケーションと同じく、USB PD互換で15Wを超えるアプリケーションにも対応可能です。

標準電力範囲 (SPR) のUSB PDは、100Wで最大20Vまでサポートできます。拡張電力域 (EPR) と呼ばれるUSB PD仕様の最近の更新により、最大240Wまで供給できるようになりました。さらに、電力の受信のみが可能なmicro-B USBなどの単方向コネクタとは異なり、USB PDは、デバイスが電力を供給または受信できる、双方向の電力の流れを可能にします。つまり、この広い電力供給範囲は、PDを備えたUSB Type-Cがスマートフォンとノートパソコンの両方を簡単に充電できるということです (ただし、すべてのUSB Type-Cの実装がUSB PDに対応しているわけではありません。これについては、記事の後半で詳しく説明します)。

表1は、USB Type-Cと互換性のあるさまざまな動作モードのさまざまな電力レベルを示しています。

表1: USB Type-C コネクタ経由の電源出力

USB 電力供給 (USB PD)

前述のように、USB PDは最大240Wの電力を供給でき、双方向動作が可能です。つまり、電力を供給または受信できます。PD USB Type-Cではないソースは15Wの電力 (5V/3A) まで供給できますが、USB PDソースは5Vを超えることができるため、15Wを超えます。電力供給の増加によって、USB PDが従来のコネクタよりもはるかに高速にデバイスを充電できます。さらに、USB PDは、ソースとシンクの両方の電圧と電流の許容幅を規定しています。

USB PDをサポートする製品の場合、2つの追加チップ (PDコントローラと呼ばれる) が必要です。1つは電源 (ソース) のチップ、もう1つはポータブルデバイス (シンク) のチップです。この2つのチップを使い、製品は各チップのCCラインを使用してケーブルを介して通信します。ソースは対応できる電圧と電流を伝え、シンク (スピーカーや電話など) は必要な電圧と電流を伝えます。ソースはそれに応じて出力供給を調整し、最適な量の電圧と電流がシンクに供給されるようにします。これら2つのチップはコストを増加させるため、通常、USB PDは15W未満の電力で動作できるアプリケーションには実装しないのが一般的です。

図3にUSB PD通信を示します。

図3 : USB PD通信

15W以上を必要とするアプリケーションにUSB PDを実装する要件は、EU標準化要求の一部です。一部の企業は、より高い電圧と電力をネゴシエーションするための独自のプロトコルを持っていますが、異なる充電アダプタとデバイス間の相互運用性と安全性を維持するために、新しいEU標準化要求では、これら他の方法は許可されないと述べています。さらに、USB PD以外のプロトコルを使用して5Vを超える電圧を上げることは、安全性と相互運用性の懸念から、USB Type-C仕様で特に禁止されています。

たとえば、USB Type-Cコネクタを使用する特定のスマートフォンがあります。ただし、これらの電話は、製品がUSB PDを使用していないため、特定のケーブルを使用して特定の充電アダプタに接続した場合にのみ「急速」に充電されます。つまり、既製のUSB PD充電アダプタは、その電力定格が同梱のアダプタと同等であっても、製品をすばやく充電できない可能性があります。これはユーザーの混乱を引き起こし、電子廃棄物を増やし、特定のメーカーの機密充電プロトコルに製品の安全性と信頼性を依存させることになります。

USB Type-Cコネクタ : コンプライアンス、安全性、最適化

メーカーが自社製品にUSB Type-Cを実装しようとしているとき、企業は、物理的に十分な実装とUSB Type-Cの仕様要件を満たす実装の違いを認識することが重要です。メーカーは、自社製品をUSB Type-C認証に提出するかどうかを決定できます。つまり、USB Type-Cのロゴを製品に使用できます。

一部のメーカーは、認証を取得するのではなく、電力を供給または受信できるUSB Type-Cコネクタの最小物理要件を満たすことで、コストを削減しようとします。このタイプのアプローチは費用対効果に優れていますが、機能や特徴が足りないため、安全上の問題が発生し、デバイス自体またはデバイスに接続されている他の製品が損傷する可能性があります。

未認定のUSB Type-C製品では、無数の障害が発生し、安全上の懸念が生じる可能性がありますが、ケーブル、ソース、およびシンクを保護できる堅牢な保護によってこれらの問題を軽減する方法があります。これらの懸念事項の一部とその解決策について、以下で説明します。ポイント1では、認定されたUSB Type-Cシンクの利点について説明し、残りのポイントでは、MPSの電源管理ICによって提供される追加の保護および最適化機能について説明します。

1. CCピンでの入力電流検出 : PD互換性のないUSB Type-Cの実装 (15W未満のもの) について検討しましょう。USB Type-Cソースは、デフォルト、1.5A、および3Aの3つの電流レベルをアドバタイズできます。デフォルトは、より古いUSBソース (100mA～1.5A) との後方互換性を意味しています。シンクがソースのCCピンアドバタイズメントを検出して、引き出せる電流の量を判断することが重要です。USB Type-C準拠のシンクは、CCピンの値を検出し、それに応じて入力電流制限を調整して、ソースから過剰な電流が引き出されないようにすることができます。電流制限が設定されると、ソースがアドバタイズメントを変更するにつれて、シンクはそれが引き出す電流の量を動的に変更できます。



コストを削減するために、メーカーによってはシンクのCCピンに2つの抵抗を配置して、その間にケーブルが接続されたときにソースが5Vでオンになるようにしています (図4参照)。この構成は、シンクがUSBデータラインを介してネゴシエーションした、既定電流を超えて流さない場合にのみ可能です。



図4 : 抵抗による入力電流検出

正式な入力電流検出の代わりに抵抗が使用されている場合、シンクは自身のCCピンを調べません。たとえば、コンピュータにUSB Type-Aポートがある場合、500mAしか供給できない場合があります。ソースが500mAしか供給できないことをシンクが認識しない場合、3Aを消費しようとする可能性があり、過電流 (OC) 状態が発生し、ソースのポートが損傷する可能性があります。通常、シンク内のチャージャICには入力電圧ループもありますが、これは入力電圧が低くなりすぎるのを防ぐだけです。シンクチャージャICの最小入力電圧ループが、ソースへの損傷を防ぐのに十分な速さで反応する (または十分に高く設定される) という保証はありません。したがって、この保護は、一次保護回路ではなく、CC電流検出と入力電流制限のバックアップとして扱う必要があります。

単純な抵抗プルダウンの実装は、消費電流が1.5Aを超えず、BC1.2検出を実装するシンクアプリケーションに使用できることに注意しましょう (以下を参照)。

2. BC1.2および独自のチャージャ検出 : BC1.2は、USB Type-Cコネクタを持たないソース (レガシーソース) または1.5A未満を供給するソースの電流出力能力をシンクが検出する方法を定義した規格です。この検出処理は、D+端子とD-端子を使用して実行されます。独自のチャージャ検出は、シンクが一般的な充電アダプタを検出可能になることで、BC1.2に加えられます。



USB Type-C仕様では、シンクがCCピン検出をサポートしている場合、シンクがBC1.2を実装する必要はありません。ただし、シンクがBC1.2を実装していない場合、CCピンでデフォルト電流をアドバタイズするUSB 2.0ソースから安全に引き出すことができる最大電流は500mAのみです。シンクにBC1.2を追加すると、デフォルト電流をアドバタイズするソース (従来のソースなど) から最大1.5Aを引き出すことができます。これにより、より多くの電力が供給され、充電時間が短縮され、エンドユーザーエクスペリエンスが向上します。

3. 非準拠のレガシーケーブル検出 : 従来のケーブルは、一方の端にUSB Type-Cコネクタがあり、もう一方の端に別の (レガシー) USBコネクタがあると定義されています。電流レベルをシンクにアドバタイズするために、レガシーUSB Type-Aケーブルは、CCピンからUSB Type-C側のVBUSピンに、56kΩのプルアップ抵抗を実装する必要があります。ただし、プルアップ抵抗が欠落している (フローティングまたはショートしている) か、または正しくない値の抵抗が含まれている非準拠のレガシーUSB Type-Cケーブルがあります。これにより、誤った入力電流制限検出 (CCピンを使用した入力電流検出で説明したように) が発生したり、シンクのCCピンとVBUSが直接短絡している場合があるため、シンクのCCピンで過電圧 (OV) イベントが発生したりする可能性があります。これらの問題を回避するには、USB Type-Cシンクデバイスは、CCピンを保護するために非準拠のレガシーUSB Type-Cケーブルが接続されていることを検出できる必要があります。
4. VBUSおよびCCピンの過電圧保護 (OVP): SPR PD充電アダプタは最大21Vまで、非対応のPD充電アダプタは最大5.5Vまで使用できます。したがって、PDアダプタの誤動作やVBUSの過渡サージが発生した場合に備えて、VBUSを少なくとも21Vまで保護することをお勧めします。通常の動作条件下では、CCは物理的にVBUSに接続されていないか (例 : USB Type-Cケーブルを使用)、56kΩ抵抗を介してVBUSに接続されている (例 : レガシーケーブルを使用) ため、CCピンは高電圧になることはないはずです。ただし、CCピンは物理的にVBUSピンに隣接して配置されているため、コネクタ内のゴミによってこのピンの間が短絡する可能性があります。また、規格外のケーブルが接続されていて、VBUSとCCピンを短絡する可能性もあります。両方の使用事例でCCピンを保護するために、OVPを強く推奨します。
5. コネクタの水分検知 : コネクタの水分は、時間の経過とともに腐食や損傷を引き起こし、ピンが短絡したり開放したりする可能性があります。これは、デュアルロールポート (DRP) またはソースアプリケーションで特に一般的です。ここで製品は、ソースモードをアドバタイズしている間、CCピンにプルアップ電圧または電流を印加します (ソースモードの間はVBusも有効になる)。製品が電解液 (水など) と接触した場合、デバイスはこの状況を検出し、製品を強制的にシンクモードにして (CCプルアップバイアスとVBusを除く)、ユーザーに警告する必要があります。
6. コネクタ温度モニタリング : USB Type-Cコネクタには、4つのVBUSピンと4つのグランドピンが並列に備わっています。コネクタにゴミが集まったり、時間の経過とともに摩耗したりすると、一部のピンが開回路状態になり、電流の流れが妨げられ、残りのピンに電流が集中します。この追加電流によってコネクタが加熱されます。過熱や恒久的な損傷の可能性を回避するために、USB Type-C製品はこれらの状態をモニタし、コネクタのクリーニングが必要な場合はユーザーに警告し、温度を下げるために消費電流を減らすことができる必要があります。

安全性と最適化の使用事例

両端にUSB Type-Cがないケーブルを考えてみましょう。チャージャICは、何かがコンセントに接続されたことを検出し、電流制限を分析し、ケーブルが準拠しているかどうかを判断できます。USB Type-CからUSB Type-Cへのケーブルの場合、CCピンはケーブル全体を通って、ソース電源がプルアップを適用し、次にシンク (チャージャICを使用) がプルダウンを適用します。

ただし、従来のType-AからType-Cへのケーブルの場合、CC電圧をVBUSにプルアップする抵抗があります。数年前、これらのケーブルの多くは規格に準拠していませんでした (例として間違った抵抗の使用、またはCCピンと入力電圧の短絡が起きた)。これにより、CCコントローラまたはチップは、実際よりも高い電流を検出するようになりました。つまり、500mAの電流能力を持つソースは、ケーブルを介して3Aの電流能力をアドバタイズしているように見えます。この状況では、MP2722のようなデバイスは、以下で詳しく説明しますが、これらのケーブルが準拠していないかどうかを検出し、入力電流制限を適切に設定できます (図5を参照)。

図5 : MP2722の機能

安全で準拠したソリューションにはチャージャ、OVPチップ、およびCCコントローラチップ (またはCCピンを検出するチップ) があります。一部のメーカーは、コスト削減のために、CCピン検出とシンク内のOVPチップ使用をあきらめています。この実装は、シンクに対して電気的に機能しますが、付属製品の安全性を保証するものではありません。さらに、これはDRPアプリケーションには使用できません。

MPS製品

MPSはすでにUSB Type-C充電および電源管理の分野で流行を作り出しており、幅広いUSBアプリケーションをカバーするソリューションを提供しています。当社の製品は、USB Type-Cの最低限の実装を満たすだけの部品で終わらせるのではなく、コンプライアンス、安全性、および機能性に関するさらなる利点を提供します。

USB Type-CアプリケーションとMPS製品

特定のアプリケーションには、USB Type-C対応の電源管理ICを選択する必要があります。一般に、これらの製品は2つの異なるカテゴリに分けることができます : 15W以下を必要とするアプリケーション、そして15Wを超えるアプリケーションです。

15W以下のアプリケーションの製品には、スマートフォン販売時点情報管理 (POS) システム、スピーカー、電子タバコ、ヘッドホン、 スマートウォッチ、および一部のタブレットが含まれます。これらの製品は必ずしもUSB PDとの互換性を必要とせず、CCコントローラに依存するだけで電流レベルとデバイスの電源の役割を決定できます。ソースもシンクも追加のPDコントローラICを必要としないため、USB PDが不要になりコストが削減されます。必要な電力が15W未満のほとんどの製品は、シングルセルのバッテリーまたは複数セルのバッテリーを並列に使用します。これらの製品は、以下に説明する、シンク、ソースまたはデュアルロール電源のソリューションです :

1. シンクのみ : シンクのみを必要とするアプリケーションの場合、単一方向、5V、15WチャージャICを使用してバッテリーを充電し、シンクCCコントローラ動作を実行できます。MP2722は、これらのアプリケーションに対するすぐれた選択肢です。
2. ソースのみ : ソースのみのアプリケーションには、電源や車載用チャージャが含まれます。これらのアプリケーションはバッテリーを必要としないため、必要なのは5VレギュレータとソースのCCコントローラだけです。
3. デュアルロール電源 (DRP) : DRPソリューションは双方向です。つまり、シンクとソースの電力の両方が可能です。MP2722は双方向の5V、15WチャージャICで、バッテリーの充電および、5V出力とDRP CCコントローラの両方を提供します。

15Wを超えることが必要なアプリケーションの場合 — ノートパソコン、モバイルバッテリー、大型スピーカー、電動工具、医療機器、ハイエンドのスマートフォンやタブレットなど、USB PDとの互換性が必要です。これらのソリューションはDRPを提供し、通常、次の2つの主要なカテゴリに分類されます。

1. シングルセル USB PD : シングルセル (または並列の複数セル) USB PDソリューションは、通常、ミッドエンドからハイエンドの携帯電話、タブレット、および ≤20Wのモバイルバッテリーで使用されます。MP2731降圧チャージャは、これらのアプリケーションに実装できるように設計されています。詳細については、MP2731 USB PD リファレンスデザインをご覧ください。
2. 2個の直列から4個の直列セルのUSB PD : 複数のセルを直列に接続したUSB PD ソリューションは、通常、20W以上を必要とするノートパソコン、タブレット、ゲームデバイス、医療機器、およびモバイルバッテリーに使用されます。これらのアプリケーションには、MP2760またはMP2651のような昇降圧チャージャが必要です。これらは両方を使用して完全なUSB PDソリューションを作ることができます。

MP2722

MP2722は、リチウムイオンとリチウムポリマーバッテリー用の4.5Aの高度に統合されたスイッチングモードのバッテリーチャージャです。このデバイスは、狭電圧DC (NVDC) パワーパス管理を提供し、5Aまでの充電電流が可能です。USB Type-C 1.3に完全に準拠しており、ソースまたはシンクモードでの双方向15Wレギュレーション用の統合CC DRPコントローラを提供します。MP2722は、VBUSピンに26V OVP、CCピンに22V OVP、および柔軟な構成のためのI²Cインタフェースを統合しています。

その他の15W DRP USB Type-Cの実装では、VBUSおよびCCピン用に個別のチャージャIC、DRP CCコントローラ、およびOVP ICが必要です。MP2722は、これら3つの機能すべてを1つのチップに統合することで、面積とコストを最大限に節約します (図6参照)。

図6 : 従来のソリューション 対 MP2722

さらに、MP2722は高度なUSB Type-Cの機能をサポートしているため、規格に準拠し、安全で、高度に最適化されています。これらの機能には、コネクタ温度モニタリング、コネクタ湿気検出、非準拠のレガシーケーブル検出、およびレガシー充電アダプタを最適化するためのBC1.2が含まれます。MP2722は、ソリューションサイズが小さく、USB Type-C機能が完全に統合されているため、USB Type-Cの実装を検討している1つの直列セルアプリケーションに最適です。

MP2731

MP2731は15V、4.5A、スイッチモードのバッテリーチャージャで、NVDCパワーパス、統合型アナログデジタルコンバータ (ADC) およびI²Cインタフェースを備えています。MP2731と外部USB PDコントローラを使用したリファレンスデザインは、USB PD 3.0仕様に準拠すると同時に、USB PDアプリケーション向けに完全なソリューションを提供します。

この設計は、シンクモードでの双方向電力と急速充電を可能にするDRP USB Type-Cポートを提供します。USB入力が存在する場合、チャージャはシンクとして構成され、バッテリーを充電します。USB PDシンクがポートに接続されている場合、チャージャはソースとして機能し、バッテリーを電源として安定化出力電圧を供給します。

MP2731 PD設計は、最大18WのPD急速充電を実現できます。さらに、MP2731には入力遮断FETが組み込まれているため、追加のUSB PD入力FET構成の使用を選択できるようになり、BOMコストとPCBサイズが削減されます。この設計は、USB PDの実装による急速充電を目的とする1つの直列セルアプリケーションにお勧めです。

MP2760とMP2651

MP2760は、1～4個のセルを直列に接続したバッテリーパック用のNVDC電源パスを備えた20V、6Aの昇降圧チャージャです。このデバイスは、4つの統合スイッチングFET、ADC、および非常にコンパクトなソリューション用のI²Cインタフェースを備えています。入力電圧とバッテリー電圧に応じて、昇圧モード、降圧モード、昇降圧モードで動作できます。逆に動作させることで、このデバイスはソースモードでバッテリーから入力に電力を供給することができます。MP2760バッテリーチャージャは、SPR電圧および電流レベルの全幅にわたってUSB PDのDRP動作に準拠しています。

MP2651はMP2760とピン互換ですが、モバイルバッテリー、電動工具、バッテリーバックアップ製品など、NVDCパワーパスを必要としないアプリケーション向けに最適化されています。

どちらのデバイスもCCG3PA USB PDコントローラで実装され、完全なUSB PD ソリューションを作ります (図7参照)。このソリューションには、双方向動作用のDRP USB Type-C ポートが含まれています。アダプタが挿入されている場合、ポートはシンクとして機能し、バッテリーを充電できます。シンクが挿入されている場合、ポートはバッテリーを使用してUSBに電力を供給するソースとして機能できます。柔軟性を高めるために、両方のパーツをI²Cインタフェースを介して設定できます。この設計は、スピーカー、タブレット、医療機器、販売時点情報管理 (POS) システム、ドローン、カメラなどのアプリケーションに最適です。

図7 : MP2760によるUSB PDソリューション

結論

USB Type-Cコネクタ (USB-Cコネクタとも呼ばれる) は用途が広く、古いコネクタに比べて非常に小さく、古いUSB規格と下位互換性があり、最大240Wの高電力を供給できます。メーカーは、本稿で説明したUSB Type-CとUSB PDの仕様と最適化に従うことで、製品間の相互運用性を維持し、製品の寿命を延ばす保護を提供し、電子廃棄物の削減というEUの目標に貢献します。

EUでの一般的なチャージャへの標準化要求は最近進展したことですが、MPSは、幅広いUSB Type-CおよびUSB PDアプリケーションをカバーするように設計されたチャージャICとバッテリー管理デバイスを作ってきました。USB Type-Cコネクタが世界中でますます一般的になってきているため、ポータブルアプリケーションの購入者とメーカーは、当社の広範囲な製品一覧から恩恵を受けることができます。

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