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USB Type-Cの電源制御ってどうやっているの?Q&Aで学ぶマイコン講座(93)(6/10 ページ)

マイコンユーザーのさまざまな疑問に対し、マイコンメーカーのエンジニアがお答えしていく本連載。今回は、中級者の方からよく質問される「USB Type-Cの電源制御方法」についてです。

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USB PDの概要

 USB PDは、USB 2.0、USB 3.2、USB4、USB Type-C 2.3、またはUSB-BC 1.2仕様で定義されているよりも、USBデバイスがUSBケーブル(通信チャネルとしてUSB Type-C CCワイヤを使用)を介して、より多くの電流やより高/低電圧をネゴシエートする方法を定義しています。これにより、現在の仕様では対応できない大電力を必要とするデバイスが、VBUSから動作に必要な電力を得たり、外部電源とネゴシエートしたりできるようになります。さらに、ソース/シンクが電源ロールを交換することで、デバイスがホストに電力を供給可能になります(例: ディスプレイがノートPCに電力を供給してバッテリーを充電)

 USB PD仕様は、以下の原則に基づいて策定されています:

  • 従来のUSBデバイスとシームレスに動作
  • 既存の仕様準拠USBケーブルと互換性あり
  • 非準拠ケーブル(Y'ケーブルなど)による潜在的な損傷を最小限に抑える
  • 低コストの実装に最適化

USB PDの物理層

 USB PDは、CCラインもしくはVBUSラインを介して通信できます。以下2つの方法がUSB PDに規定されています。

  • CCラインを介した通信: BMC(Biphase Mark Coding) over CC
  • VBUSラインを介した通信: BFSK over VBUS

 今回は、一般的に広く採用されている、CCラインを介した通信(BMC over CC)に焦点を当てて説明します。

 CCラインを介した通信(BMC over CC)には、以下の特徴があります。

  • 半二重通信
  • 1本のCCラインを使用して通信を行う一対のドライバーとレシーバーで構成
  • 通信時のドライバー出力振幅レベル:1.125V(Typ.)
  • 非通信時のドライバー出力:ハイインピーダンス状態(出力電圧はプルアップ抵抗/プルダウン抵抗で生成される電圧になる)
  • ビットレート:300kbps
  • Biphase Mark Coding
  • 1ビットもしくは1/2ビット周期毎に極性が反転する符号化方式。バイナリデータ”1”は、1/2ビット幅のパルス間隔後に極性が反転します。バイナリデータ”0”は、1ビット周期後に極性が反転します。
  • 4b5bエンコーダーおよび5b4bデコーダー
  • 4b5bエンコーダーにより、送信ビット列は連続して4ビットを超える1もしくは0を送信するケースがなくなり、パケット開始の検出が容易になります。プリアンブル部には4b5bエンコード/5b4bデコード処理はされません。
  • 衝突回避

 実際のCCラインの通信波形をオシロスコープで測定した結果を図4に示します。通信開始前は、プルアップ抵抗とプルダウン抵抗値からなる電圧値1.7Vになっています。通信中は、振幅レベルは約1.1Vとなっています。ビットレートが300kbpsなので、1ビット分の周期は3.33マイクロ秒です。

<strong>図4:CCラインの信号例</strong>
図4:CCラインの信号例[クリックで拡大]

 CCラインを介した通信に使用されるBMCトランスミッターおよびBMCレシーバー受信機のブロック図を図5に示します。CCラインを介したデータ送信時には、データにCRCが付加されたのち、4b5bエンコーダーを使用して4ビット入力から5ビット出力に変換します。そして、それぞれのビットは、BMCエンコーダーによってCCラインに送信されます。

<strong>図5:BMCトランスミッターとBMCレシーバー</strong>
図5:BMCトランスミッターとBMCレシーバー[クリックで拡大]

 また、CCラインを介したデータ受信時は、CCラインからBMCエンコーダーが信号を受けとり、ビット列に変換します。ビット列はSOP(Start of Packet)検出器に送られてパケットの開始を検出し、5b4bデコーダーに送られます。5b4bデコーダーは5ビット入力を4ビット出力に変換します。受信したデータはCRCによってチェックされ、CRCが有効な場合はパケットデータをプロトコル層に排出します。一方、CRCが無効な場合、受信したデータを棄却します。

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