USB Type C and USB 3.2 – Clarifying the Connection

Bruce Rose/著

USB Type C and USB 3.2 – Clarifying the Connection

USB規格は長年に渡って採用されてきており、技術のニーズと機能が増大するにつれて、進化・改善が行われてきました。The USB Implementers Forum (USB-IF) has continually released specifications for the USB Type C connector and USB signal standards. In the table below one can see the progression of the USB signal standards beginning with USB 1.0 up to USB 3.2 and now USB4, including the various modes and data transfer rates introduced with each. USBタイプCコネクタは、以前のコネクタ規格に加えてさらに多くの強化された機能も含んでいます。これらの改良点を理解することで、エンジニアはこのコネクタと様々な信号仕様を適切な方法で活用し、設計のパフォーマンスを劇的に向上させることができます。

リリース名 リリース日 Brand Name 総データレート
USB 1.0 1996年1月 低速度 1.5Mbit/s(187.5KB/s)
フルスピード 12Mbit/s(1.5MB/s)
USB 1.1 1998年1月 USB1.0に共通の問題点は対処済みデータレートは同じまま。
USB 2.0 2000年4月 高速、さらにハイスピード 480Mbit/s(60MB/s)
USB 3.2 Gen 1* August 2017 SuperSpeed USB 5 Gbps 5Gbit/s(625MB/s)
USB 3.2 Gen 2** August 2017 SuperSpeed USB 10 Gbps 10Gbit/s(1.25GB/s)
USB 3.2 Gen 2x2 August 2017 SuperSpeed USB 20 Gbps 20Gbit/s(2.5GB/s)
USB4 Gen 2x2 August 2019 USB4 20 Gbps 20Gbit/s(2.5GB/s)
USB4 Gen 3x2 August 2019 USB4 40 Gbps 40Gbit/s(5GB/s)
*Previously known as USB 3.1 Gen 1 and USB 3.0
**Previously known as USB 3.1 Gen 2

Misconceptions Between USB Type C and USB 3.2

Confusion often arises when discussing the relationship between USB Type C connectors and say for example USB 3.2 Gen 2 (previously USB 3.1 Gen 2). The USB Type C standard defines only the physical connector while the USB 3.2 standard applies only to the electrical signal. While most system designers will choose to communicate USB 3.2 signals through USB Type C connectors and cables, it is possible to transmit and receive USB 3.2 Gen 1, Gen 2, and Gen 2x2 compliant signals through a connector which does not conform to the USB Type C specification. A product designer can implement such a configuration using the USB 3.2 signal standard and their own proprietary connectors, if they want to keep the system isolated from other systems or to ensure that proprietary hardware is being used.

同様に、USBタイプCコネクタは、USB信号規格に適合しない信号の送受信にも使用することができます。This implementation benefits from the wide availability and inexpensive cost of USB Type C connectors and cables, but puts the user at risk of connecting the non-conforming proprietary system to a system conforming to the USB 3.2 standard and damaging one or both of the systems.

また、USB規格は、USBタイプCコネクタとケーブルを使用してレガシー(USB3.2Gen2以前)USBシグナリング構成を送信できることも留意すべき点です。これらの構成ではシステムに損傷を与えることなく、システムが一般的な通信と電源設定をネゴシエートしたうえで適切な電源供給とデータ転送をおこないます。

USBタイプCの利点

USBタイプCコネクタは、前世代のコネクタと比較すると多くの利点持った設計となっています。強化機能として、より小型のパッケージサイズ、より多くのコンダクタ、より高い電圧定格と電流定格、さらに優れた信号帯域などがあります。USBタイプCプラグとレセプタクルのサイズが縮小したことで、スペースに限りのあるアプリケーションに対しても幅広く使用できるようになりました。さらに、このプラグとレセプタクルは、標準方向でも上下反対でも接続可能で、プラグのレセプタクルへの挿入をすばやくかつ簡単におこなうことができます。

USBタイプA、タイプBおよびタイプCのコンダクタ数の比較の図
USBタイプA、B、Cコネクタのコンダクタの比較

USBタイプA、タイプBコネクタはそれぞれ4または5つのコンダクタを特定します。これに対しUSBタイプCコネクタは、24コンタクトを採用し、標準USBタイプAコネクタの嵌合サイクル1,500回と比較すると、最大10,000回の挿抜サイクルという向上した耐久性レートを持っています。各USBタイプCコネクタには4つの電源および接地コンタクトがあり、全体としては5Aの電流まで可能です。USBタイプCコネクタは、より高い電流定格に加え、電源と接地ピンとの間に最大20Vの電圧定格を持ち、100Wの電源供給が可能です。The USB PD 3.1 standard, released in 2021, has since expanded that power transfer capability up to 240 W. USB Power Delivery (PD) specifications provide information regarding the implementation of the higher levels of power delivery available through USB Type C connectors. Just as USB Type C and USB 3.2 are two separately defined standards, it is important to note that USB Type C and USB PD exhibit the same relationship. USBタイプCコネクタは、USB PD規格をサポートするように設計されおり、デバイスのホストコントローラとケーブルもこの規格をサポートするように設定する必要があります。

仕様 最大電源 最大電圧 最大電流
USB 2.0 2.5W 5V 500mA
USB 3.0および3.1 4.5W 5V 900mA
USB BC 1.2 7.5W 5V 1.5A
USBタイプ-C1.2 15W 5V 3A
USB PD 3.0 100W 5/9/15/20 V 5A
USB PD 3.1 240W 28/36/48 V 5A
USBパワーデリバリー仕様

最後に、USBタイプCコネクタは、2つのデータピンのそれぞれを介した10Gbpsのデータ転送をサポートします。This bandwidth support allows for 20 Gbps data transfer rates when both data pin pairs are used as specified in the USB 3.2 2x2 standard as well as data transfer up to 40 Gbps as specified in the USB4 standard announced by USB-IF in August 2019.

Optimizing for USB 3.2

As stated previously, the USB 3.2 specification defines a set of data and power signals and the characteristics of those signals. しかし、これらの信号と共に使用されるケーブルについては指定していません。It should also be noted that the cables used to transport the USB 3.2 signals will need to have current, voltage and signal integrity characteristics sufficient to handle and not degrade the USB 3.2 signals. For example, while the USB 3.2 Gen 2 (previously USB 3.1 Gen 2) specification supports 10 Gbps communication rates and USB Type C connectors are designed for signal integrity at and beyond those speeds, the length of the cable and quality of the cable construction can both be a factor in limiting communication bandwidth.

USBタイプCマウント構成

USBタイプCレセプタクルには2つのバージョンがあります。エンジニアはコネクタをPCB(SMT)の上にマウントするか、PCBの空いたスペースにマウント(ミッドマウント)するかを選択することができます。SMTタイプのレセプタクルは、PCBに高さが加わり製品設計内にコネクタが必要となります。ミッドマウントタイプのレセプタクルは、よりコンパクトな設計が可能ですが、PCBトレースをコネクタの下に配置することはできません。

USB SMTとミッドマウント構成の図
USB SMTおよびミッドマウント構成

結論

USB規格は、信号、コネクタおよびケーブルに対して広く適用されてきています。The specifications for USB 3.2 and the USB Type C connector enables standardized high speed and high power signal transfer. CUI Devicesが提供する適合USBタイプCプラグおよびレセプタクルは、USB3.2Gen2データ転送レートをサポートするように設計されていますが、規格の進化に合わせて、現在の10Gbpsという制限を超えた通信を行うことも可能です。CUI Devices also offers a range of USB cables with Type C plugs as well as power-only USB Type C receptacles where the data transfer pins have been removed, providing a cost-effective solution for designs where charging or power is the sole function.

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Bruce Rose

技術コントリビューター

Bruce Roseは、エレクトロニクス業界で長年にわたり、設計、販売、マーケティングを担当し、アナログ回路と電力供給に重点を置いてきました。国際的なワークショップを開催し議長を務め、40以上の技術会議で論文の出版や発表をするなどの職務経験に加え、7件の特許を取得しています。Bruceは自分の仕事はもちろん、家族でハイキング、サイクリング、カヌーを楽しみ、また本格的な模型飛行機にも情熱を注いでいます。

 
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