インターフェイスの革命。 USB 3.1 Type-Cの詳細。 電子ビュー

標準の名前の中の余分な文字がデータ転送インターフェイスとガジェットの世界に革命をもたらすと脅すことはまれですが、USB 3.1 Type-Cの最新バージョンの登場はまさにそのようです。 古き良きUSBインターフェイスの次のアップデートは、私たちに何をもたらすと約束していますか？

• 最大10 GBpsのデータ転送速度
• ポートから最大100Wの消費電力でデバイスに電力を供給する機能
• micro-USBに匹敵するコネクタ寸法
• コネクタの対称性-上部と下部がないため、コネクタ自体とそれらを介して接続されているガジェットの両方に損傷を与えることが多いキーはありません
• このインターフェースを使用すると、 最大20ボルトの電圧のデバイスに電力を供給できます
• 異なるタイプのコネクタはありません-AとB。ケーブルの両端はまったく同じコネクタです。 データと供給電圧の両方を同じコネクタを介して両方向に送信できます。 状況に応じて、各コネクタはマスターまたはスレーブとして機能できます
• コネクタの設計は最大10,000の接続に耐えることができます。
• 迅速なデータ交換のために、他の広範なインターフェースの代わりに、このインターフェースを直接接続に使用することができます。
• 標準は、通常のUSB 3インターフェイスとその弟の両方と上から下まで互換性があります。 もちろん、直接ではなく、アダプタを介して、たとえばUSB 2.0ディスクを接続することができます

ここでは、コネクタとケーブルの設計から始まり、このインターフェイスの機能をサポートするための機器プロファイルと新しいチップの簡単な概要で終わるトピックを骨ごとに理解しようとします。 このトピックに関連する以前の記事はすべてGTに投稿されていたので、長い間、どのプラットフォームで記事を投稿するかを考えましたが、私の出版物には技術的な詳細がたくさんあるため、オタクではなく、今日それを検討し始める潜在的な開発者に役立つでしょう。 そのため、ここに記事を掲載しようと思いました。



USBインターフェースの開発の歴史については触れませんが、このトピックは写真の歴史という意味でこのコミック ではあまり発展していません

エレクトロニクス-コンタクトサイエンス

まず第一に、著名な先祖の会社の今日のヒーローの比較写真。







USB Type-Cコネクタは、通常のUSB 2.0 Micro-Bよりわずかに大きくなっていますが、従来のUSB Type-Aはもちろん、デュアルUSB 3.0 Micro-Bよりも著しくコンパクトです。

コネクタの寸法（8.34×2.56 mm）により、スマートフォンやタブレットなど、あらゆるクラスのデバイスで問題なく使用できます。





信号線と電源線は、プラスチック製のインサートに配置されています。おそらく、これはコネクタの中央部で最も弱い場所です。 USB Type-Cピングループには24個のピンが含まれています。 USB 1.0 / 2.0には4つのコンタクトしかなく、USB 3.0コネクタには既に9ピンが必要でした。









左側の写真をよく見ると、コンタクトの長さが異なっていることがわかります。 これにより、特定の順序で確実に閉じられます。 中央の図では、接続されているケーブルを保持し、接続と切断のプロセス中にクリック感を与える必要があるラッチの存在を確認します。 右のグラフは、コネクタの挿入と取り外しのプロセスにおける力の依存性を示しています。



その上に見えるピークは、ラッチの瞬間です。



規格の開発者は、すべてではないにしてもほとんどすべてを行ったと言えるので、コネクタは可能な限り便利で信頼性が高くなります：どちらかの端と両側に顕著なクリックで挿入されます。 彼らの意見では、彼はこの手順を1万回以上生き抜くことができます。

多面対称ヤヌス

USB-Cの非常に快適で便利な機能は、左右対称のコネクタ設計で、どちらのポートにも接続できます。 これは、結果が対称的に配置されているために達成されます。







端に地球の結論があります。 正の電力接点も対称に配置されます。 中央にあるのは、USB2インターフェイスとの互換性を担当する連絡先です。 彼らは何よりも幸運でした-それらは複製されているため、接続時に180度の回転はひどいものではありません。 青色は、高速データ交換を行う出力を示します。 ここで見るように、すべてがより複雑です。 たとえば、コネクタを回すと、TX1の出力はTX2の場所を変更しますが、同時にRX1の入力サイトはRX2を使用します。



結論セカンダリバスおよびUSB電源供給通信は公式であり、2つの接続されたデバイス間の通信用に設計されています。 結局のところ、彼らは交換を始める前にお互いについてたくさん話す必要がありますが、それについては後で詳しく説明します。



それまでの間、もう1つの機能があります。 USB Type-Cポートは、もともとワンストップソリューションとして設計されました。 直接USBデータ転送に加えて、代替モードでサードパーティインターフェイスを実装するために使用することもできます。 VESAはUSB Type-Cのこの柔軟性を利用して、DisplayPort Alt Modeを介してビデオを送信する機能を導入しました。











USB Type-Cには、4つの高速Super Speed USBライン（ペア）があります。 それらの2つがDisplayPortのニーズに際立っている場合、これは3840×2160の解像度の画像を得るのに十分です。 同時に、USB経由のデータ転送速度は低下しません。 ピーク時には、まだ同じ10 Gb / s（USB 3.1 Gen2の場合）です。 また、ビデオストリームの送信は、ポートのエネルギー機能に影響しません。 displayPortのニーズには、4つの高速回線でさえ割り当てることができます。 この場合、最大5120×2880の解像度が利用できます。 このモードでは、USB 2.0ラインは未使用のままになります。これは、USB Type-Cが、制限された速度であるにもかかわらず、データを並行して転送できるためです。



代替モードでは、SBU1 / SBU2コンタクトを使用してオーディオストリームを転送し、AUX + / AUX-チャネルに変換します。 USBプロトコルの場合、追加の機能損失がないため、これらは関係しません。



DisplayPortインターフェイスを使用する場合、USB Type-Cコネクターはどちらの方法でも接続できます。 必要な信号調整は最初に提供されます。











HDMI、DVI、さらにはD-Sub（VGA）を使用してデバイスを接続することも可能ですが、このためには個別のアダプターが必要ですが、これらはアクティブなアダプターである必要があります。DisplayPortAltモードについては、デュアルモードディスプレイポート（DP ++）はサポートされていません。



DisplayPortプロトコルだけでなく、代替USB Type-Cモードも使用できます。 おそらく、このポートが、たとえばPCI Expressまたはイーサネットを使用してデータを送信することを学習したことがすぐにわかるでしょう。



そして彼女はそれを与え、彼女はそれを与えた。 一般的に...栄養について。



USB Type-Cがもたらすもう1つの重要な機能は、最大100ワットの電力を伝送できることです。 これは、モバイルデバイスに電力を供給したり充電したりするだけでなく、ラップトップ、モニターを使用するのに十分です。



USBバスの出現により、電力伝送は重要でしたが、依然として二次的な機能でした。 USB 1.0ポートは0.75 W（0.15 A、5 V）のみを提供しました。 マウスとキーボードには十分ですが、それ以上のものはありません。 USB 2.0では、公称電流が0.5 Aに増加しました。これにより、たとえば2.5インチの外部ハードドライブに電力を供給するために2.5ワットを得ることができました。 USB 3.0の場合、公称電流0.9 Aが提供され、5 Vの一定の供給電圧で4.5ワットの電力を保証します。 マザーボードまたはラップトップの特別な強化コネクタは、接続されたモバイルデバイスの充電を加速するために最大1.5 Aを供給できましたが、これは「わずか」7.5 Wです。 これらの数字を背景に、100ワットを送信する機能は素晴らしいように見えます。



USB Type-Cポートをこのようなエネルギーで満たすために、USB Power Delivery 2.0（USB PD）仕様がサポートされています。 存在しない場合、USB Type-Cポートは、構成に応じて、7.5 W（1.5 A、5 V）または15 W（3A、5 V）を山に供給できます。 この記事には、この仕様の詳細な説明のための十分なスペースがありませんが、それでも、私のすばらしい記事で尊敬されるstparkよりもうまくやるつもりはありません。



ただし、この重要なトピックを完全にバイパスしても機能しません。



5ボルトの電圧で100ワットの電力を供給するためには、20アンペアの電流が必要です！ USB Type-Cケーブルの寸法は、超伝導体で作成した場合にのみ可能です。 今日はユーザーに多大なコストがかかるのではないかと思うので、標準の開発者は別の方法で行った。 彼らは供給電圧を20ボルトに上げました。 「すみませんが、お気に入りのタブレットを完全に焼いてしまいます」-あなたは叫び、あなたは絶対に正しいでしょう。 エンジニアは怒ったユーザーの餌食にならないように、トリッキーなトリックを思いつきました-彼らは電力プロファイルのシステムを導入しました。 接続する前に、すべてのデバイスは標準モードになっています。 その中の電圧は5ボルトに制限され、電流は2アンペアです。 このモードで古いスタイルのデバイスに接続するとすべてが終了しますが、より高度なケースでは、データを交換した後、デバイスは高度な機能を備えた別の合意された動作モードに切り替わります。 既存の主要なモードを理解するには、表をご覧ください。







プロファイル1は、10ワットのエネルギーを転送する可能性を保証します。2番目はすでに18ワット、3番目は36ワット、4番目は60ワット、5番目は私たちが大切にしている100ワットです。 より高いレベルのプロファイルに対応するポートは、以前の状態のすべての状態を降順でサポートします。 基準電圧として、5V、12V、および20Vが選択されました。 5Vの使用は、既存のUSB周辺機器の膨大な数との互換性のために必要です。 12Vは、さまざまなシステムコンポーネントの標準供給電圧です。 20Vは、ほとんどのラップトップのバッテリーの充電に19〜20Vの外部電源が使用されるという事実を考慮して提案されています。

ケーブルについて一言！

この記事で完全に説明されている形式をサポートするには、プログラマーだけでなく、電子機器メーカーの膨大な作業が必要になります。 非常に多くのコンポーネントを開発してデプロイする必要があります。 最も明白なのはコネクタです。 供給電圧の大電流に耐え、非常に高い周波数の信号の伝送を妨げず、2回目の接続後も故障せず、最も不適切な瞬間に脱落しないように、製造品質はUSBフォーマットに比べて根本的に高い必要があります2。



高出力エネルギーと信号の伝送をギガビットトラフィックと組み合わせるには、ケーブルメーカーは深刻な負担を強いられます。



断面ケーブルがタスクに適していることを賞賛してください。







ところで、USB 3.1インターフェイスを使用する場合のケーブルの長さの制限について。 最大10 Gb / s（Gen 2）の速度で大きな損失のないデータ転送の場合、最大5 Gb / s（Gen 1）-2メートルの速度での接続の場合、USB Type-Cコネクターのケーブル長は1メートルを超えてはなりません。



マザーボード、ドッキングステーション、ラップトップの回路メーカーは、数百ワットの電力を生成する方法と、それをUSB Type-Cコネクタに持ち込む方法を長い間謎にしています。

ロースタートチップメーカー。

異なるモードでの信号線の対称接続と動作には、高速信号スイッチチップの使用が必要になります。 今日、最初のツバメはすでに現れています。 たとえば、Texas Instrumentsのスイッチは、ホストモードとスレーブモードの両方のデバイスでの操作をサポートしています。 最大5 GHzの信号周波数の差動ペアのラインを切り替えることができます。







同時に、HDC3SS460 3.5チップの寸法は5.5 mmであり、スタンバイモードでは1マイクロアンペアのオーダーの電流を消費します。 アクティブモードでは、1ミリアンペア未満。 より高度なソリューションが存在します。たとえば、NXPチップは最大10 GHzの交換周波数をサポートします。



NXPのこのような製品など、信号線を保護するための静的回路と組み合わされた電源マネージャーが登場し始めました







これは、コネクタを接続する瞬間を正しく処理し、誤動作の場合に電源回路を開くことを目的としています。 このチップはすでに最大30 VのVBUS電圧をサポートしていますが、最大スイッチ電流ではすべてがさらに悪くなります-1アンペアを超えてはなりません。寸法を考慮すると、1.4 x 1.7 mmです。



この分野で議論の余地のないリーダーはサイプレスでした。サイプレスは、標準の5つの可能な電力プロファイルすべてをサポートするARM Cortex M0コアを備えた特殊なマイクロコントローラをリリースしました。



ラップトップで使用するための典型的な接続スキームは、それについてのアイデアを提供します。データシートをダウンロードすることで、それについてさらに学ぶことができます。







NXPチップとは異なり、外部電源スイッチの管理に重点を置いているため、サイズが小さいにもかかわらず、必要な電流と電圧を切り替えることができます。







注意、 最初のサンプルを急いで注文する人のための重要な機能-マイクロコントローラにはUSBインターフェイスがなく、完全で完全なソリューションではありません。 彼は栄養管理者としてのみ働くことができます。 サンプルおよびデモボードの供給の予約注文は現在公開中です。 このマイクロコントローラーの運命は、おそらく、開発者の会社製造者が異なるモードで使用するための参照ライブラリーを提供するかどうかに大きく依存するでしょう。



彼のためにいくつかのデモキットがすでに作成されているという事実は、後者の可能性を大いに高めます。

天国またはバベルの塔へのエレベーター。

今日、革命的な状況は完全に発展しました。 トップはできませんが、下位のクラスは古いやり方を望んでいません。 誰もが膨大な数のケーブル、充電器、電源、そして低い信頼性に悩まされています。







新しい標準は前例のない活動を生み出しました。 電子産業の旗艦-Apple、Nokia、Asusは、USB Type-Cをサポートする最初のガジェットをリリースする準備をしています。 中国人はすでにケーブルとアダプターをスタンピングしています。 アプローチでは、高負荷容量をサポートするドッキングステーションとハブ。 チップメーカーは新しいマイクロ回路を開発しており、新しいポートのドライバーをマイクロコントローラーにプッシュする方法を考えています。 マーケティング担当者は新しいコネクタを接続する場所を決定し、エンジニアは既存の電子部品から学際的なデバイスを実装しようとするカブを引っ掻きます。



これまでのところ、はっきりしないことが1つだけあります。 結果として何が得られますか？ 便利で信頼性の高いコネクタ。これは、インターフェイスの主要な部分を置き換えて日常的な使用、またはバベルの大悪魔を見つけます。状況はあまり好ましくないシナリオに従って発展し始める可能性があるためです。



ユーザーは最終的に多数の仕様とケーブルで混乱する可能性があり、外観はまったく同じに見えますが、同時に特定のプロファイルについてのみ認定されます。 これらすべてのマーキングでそれを把握してみてください。











しかし、それがうまくいったとしても、これは問題を解決する可能性は低いです-中国人は、良心のtwinがなければ、どんなコードにもバッジを簡単に置くでしょう。 また、必要に応じて、1つのケーブルの両側のヒープが異なるまで、相互に排他的であっても混乱することはありません。



市場には、さまざまな口径と疑わしい品質の驚異的な量のアダプターが殺到しています。







あるデバイスを別のデバイスに接続しようとすると、このプロセスがどのような結果をもたらすのか、接続が完全に存在しないか、すべてがひどくバグだらけになることがわかりません。 いずれかのガジェットが目的のプロファイルをサポートしていないか、サポートしているがあまり正確ではないか、または高品質のケーブルの代わりに、粗雑な中国の偽物に遭遇しました。 ラップトップで突然残っている唯一のコネクタが故障した場合、どうしますか？



待って、それがどのように現れるかを見てください。 それまでの間、最善を願っていますが、移行期には間違いなく簡単ではありません。 私の記事は新しい標準に関するすべての質問に答えたわけではないことを理解していますが、それでは締めくくり、すでに仕事に取り掛かる時です。そうでなければ、USB Type-Cをサポートするボードを夢見ている最初のクライアントがいます。 この技術の奇跡を実際にテストし、個人的な経験を共有する機会があります。



またね



PS新しい標準はすでに非常にエキゾチックなデバイスの出現につながっています。 そのため、長さ100メートルのケーブルを発表しましたが、これは規格にまったく適合していないようです。 全体として、彼はアクティブです。 ケーブルの両端には、光信号コンバーターへのUSB3インターフェイスがあります。 信号は光学的に送信され、出力で変換されます。 当然、エネルギーは送信せず、データのみを送信します。 さらに、コンバータの両端は、接続されているコネクタから電力が供給されます。

すぐに自尊心の高い企業がケーブルにアクティブタグを挿入して真正性を確認し始めると思います。 ハブの問題は、DC-DCコンバーターの開発者と製造者の間で前例のない活動を引き起こします。 尊敬されているTimsTimsユーザーが正しく発言したように、たとえば、電力が供給されているデバイスは12ボルトしか供給できず、それに接続されているデバイスには1つ5、もう1つ18が必要になり始めるという状況が発生する場合があります。

一般に、この標準は複数の開発者に提供することを約束し、メーカーは敗者にとどまることはありません。