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USB Type C 設計のお役立ちに!ブロック図や各ICの特長について!

USB Type Cって実際に何ができるの?

USB Type Cの大きな特長は3つあります。

  • リバーシブルで対応可能
  • Power Delivery機能により、大電力が供給可能
  • 映像出力などのデータも転送可能


上記により、HDMIや電源ケーブルなど多くあった配線を1本にまとめることができるのが、大きな特長です。

ただ、USB Type Cといえど、ポータブルバッテリーのように電源のみを供給するデバイスから、電源とデータ両方を送る製品まで種類は様々あります。

今回の記事では、使用方法に応じたType C Solutionについてブロック図を通して紹介します。その後、ブロック図に出てきた各ICの特長を解説します。

  1. 使用方法に応じたType C ブロック図
    • ポータブルバッテリーなどの充電のみ
    • 車内用 充電器
    • データ転送を早くする SuperSpeed
    • 映像も出力可能なAlternative Mode
  2. 各ICの特長
    • Cypress社のType C Controller CCG3
    • Cypress社のType C PD Port Controller CCG3PA
    • Analog Devices社の車載用昇降圧電源 LT8390A
    • Parade社のMux IC PS8742
    • ON Semiconductor社の昇降圧電源、Mux、ロードスイッチ

1. 使用方法に応じたType C ブロック図

ここでは、USB Type C の使用方法について、アプリケーション毎にブロック図を用いて解説します。

ポータブルバッテリーなどの充電のみ

Cypress社 のType C Controller を使用することで、USB Type C 端子から、リチウムイオンバッテリーへ充電、もしくは、リチウムイオンバッテリーから、USB Type C 端子を通して、外部機器へ電力を送ることができます。

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Type C Only Power Delivery ブロック図

また、その電力もPower Delivery 機能により、100Wまで送電可能です。

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Power Delivery 機能

ブロック図搭載のCCG3PA は、電源アダプタ、モバイル充電器等、電源供給に特化したCypress社のType C Controller です。

主な特長として、BC1.2 / Apple Charging / QC4.0, AFCです。

また、システム保護機能として、
  • 過電圧保護(OVP)
  • 過電流保護(OCP)
  • 出力定電圧保護(UVP)
  • 短絡保護(SCP)
  • 過熱保護(OTP)
を兼ね備えており、PPS(Programmable Power Supply)にも対応します。

外付けにて、ON Semiconductor社 の昇降圧電源 NCP81239を使用することで、電圧ドロップ補正が可能となります。

車内用 充電器

車載用のUSB Type C 電源です。車内のUSB Type C 端子から充電するような場所での使用を想定しています。

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USB Type C Only Power Delivery ~45W Car Chargerのブロック図

昇降圧電源において、Analog Devices社 のLT8930Aを使用することで、スイッチング周波数2MHz動作により、インダクタ・コンデンサの小型化・低減が可能です。2MHzでのスイッチングにおいても、最大94%の高効率を実現します。

Power Delivery対応による大電力化で懸念されるノイズに対しても、Spread Spectrumや不要輻射に配慮した構成により、低減が可能です。

データ転送を早くする SuperSpeed

データ転送を早くするために、SuperSpeedに対応したブロック図です。

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SuperSpeed 付きUSB Type C ブロック図

Cypress社 CCG3 とON Semiconductor社 FUSB340 を組み合わせることで、USB3.1のデータ通信が可能となります。

データ転送の最大速度が10GbpsとなったSuperSpeedにスムーズに移行可能です。

映像も出力可能な Alternative Mode

USB Type Cを用いて、ディスプレイなどの映像出力も行えるAlternative Modeを想定したブロック図です。

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USB Type C Alternative Mode ブロック図

Cypress社のCCG3と Parade社 のPS8742を組み合わせることで、容易にDisplay Port ALT, HDMI ALT等のシステム構築を実現することが可能です。

CCG3 には、48MHz Arm® Cortex®-M0 CPU、128KB Flash, 8KB SRAMを搭載しており、且つ、Billboard機能が内蔵されている為、Alternative Mode実現に最適なデバイスです。

2. 各ICの特長

ここでは、上記ブロック図で登場した IC の特長を紹介します。

Cypress社 Type C Controller CCG3

CCG3 は、Arm® プロセッサ内蔵のType C Controller で、以下の特長があります。

  • USB PD3.0 サポート
  • 32-bit Arm® Cortex®-M0 / 128KB Flash/ 8KB SRAM
  • OVP、OCPシステム保護機能搭載
  • 42-ball (8.38mm) CSP、40-pin (36mm) QFN、32-pin (25mm) QFN パッケージ

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CCG3 の Logic Block Diagram

Cypress社 Type C PD Port Controller CCG3PA

CCG3PAは、電源アダプタ、モバイル充電器等、電源供給に特化したType Cコントローラで特長は以下の通りです。

  • USB PD3.0 サポート
  • 32-bit Arm® Cortex®-M0 / 64KB Flash / 8KB SRAM
  • QC 4.0, Apple charging 2.4A, AFC, BC 1.2サポート
  • VBUS to CC ショートプロテクション
  • OVP, OCP, UVP, SCP, and OTPシステム保護機能搭載
  • PPS (Programmable Power Supply) 対応
  • 24-QFN (16mm), 16-SOIC (60mm) パッケージ

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CCG3PAのLogic Block Diagram

Analog Devices社 車載用昇降圧電源 LT8390A

LT8390Aは、60Vinまで対応した昇降圧コントローラです。2MHzのスイッチングスピードにより、インダクタを小型化でき、電源を小さい面積で実装できます。

  • 広いVINの範囲:4V~60V
  • 2MHz動作により、インダクタの小型化が可能。
  • 2MHz動作でも高効率を実現:最大94%
  • 低EMIを実現するスペクトラム拡散変調
  • 調整可能および同期可能な周波数:600kHz~2MHz
  • シャットダウン時にVINからVOUTを切断

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LT8390Aの基板例

Parade社 Mux IC PS8742

PS8742は、USB Type CのAlternative Modeに対応したMUXです。

  • VESA (DP Alt mode) およびUSB-C規格に準拠
  • USB3.1 GEN1 (5Gbps), DP HBR2 (5.4Gbps)
  • 入力にイコライザ、および出力にアクティブドライバを搭載
  • PCBトレースや外来での信号損失を改善し、エンドポイントまで確実に伝送
  • Display Portの出力ドライバ設定はAUXチャネル経由で設定可能
  • Parade Technologies社にて特許を取得
  • スイッチング制御はGPIOもしくはI2Cコマンドにて指定可能
  • Cypress社 CCGX PDコントローラとの組み合わせにて市場実績あり
  • パッケージサイズ: 4x6mm (40-pin QFNパッケージ)

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PS8742 概要

ON Semiconductor社 昇降圧電源、Mux、ロードスイッチ

型  番 役  割 備  考
NCP1871 バッテリーチャージャーIC Li-Ion Betteryを高効率で充電
NCP81239 昇降圧コントローラ USB Power Delivery仕様に完全準拠
FUSB340 MUX USB3.1に対応した2:1双方向動作マルチプレクサ
NB7NPQ70シリーズ データリドライバー SingleやDual品、High Gainなど豊富な種類で対応
FPF2895 ロードスイッチ PD(20V/5A)に対応したロードスイッチ

最後に

ここまで、USB Typc Cに関して、ブロック図を通して、紹介しました。
今後の設計への一助となれば幸いです。

本記事で紹介しました製品に関する詳細な情報をお求めの方は、是非こちらからお問い合わせください。

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