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USB Type-Cコネクタは、将来的に多くのラップトップやスマートフォンの唯一のデータポートになる可能性を秘めているが、これらのUSB専用デバイスは依然としてモニターやテレビなどの非USBデバイスに接続する必要がある。USB Type-C規格は、ピンの機能を動的に変更してUSB以外のデータプロトコルの使用を可能にするAlt Mode動作方式を定義することで、これらのニーズに対応しています。データプロトコル
本稿では、USB Type-CコネクターでHDMIやその他の非USBフォーマットのストリーミングを可能にする様々な規格について説明し、USB Type-CインターフェースにHDMIオルタネート・モード機能を追加するための主な設計上の留意点を示します。
HDMIフォーラムは、USB Type-C環境のオルタネートモード動作を管理している。2016年後半にリリースされた最新のUSB規格は、3つの部分で構成されている：
USB Type-Cコネクタの仕様は、従来のType-AおよびType-Bコネクタに大きな変更を加えている。何気なく見ている人にとっては、2つの特徴が際立っている：
8.3mm×2.5mmのType-Cは、USB Type-Aや-Bコネクタよりもはるかに小さいが、ピンは以前の4本から24本に増えている。
Type-Cコネクタはリバーシブルで、どの向きでも機能する。このため、コネクタのピン配列は対称的で、どの列が上にあっても、すべての信号は同じ相対位置にある。
USB Type-C仕様では、D+/D-およびVBUS/GNDピンを介してレガシーUSB 2.0システムとの通信モードが可能になる。ピン配置には、オルタネート・モードなど、仕様で定義された他の2つの新機能用のピンも含まれています。図1は、Type-Cコネクタの標準モードとオルタネートモードのマッピングを示している。
図1：オルタネート・モード・マッピングを示すUSB Type-Cコネクターのピン配置。(出典：テキサス・インスツルメンツ）
USB Type 3.1仕様では、データ転送速度を10Gbps（仕様ではSuperSpeed+と呼ばれる）に引き上げることで、USBの電気的性能を更新している。これには、高速データ専用の差動TXとRXの2ペアが必要です。また、この仕様では、ベースライン電源の能力が150mAで5Vに向上しています。
USB Power Delivery仕様（USB PD）は、オルタネート・モード動作を定義するだけでなく、利用可能な電力量を100Wまで増加させ、設計者が利用可能な電力供給オプションの範囲を大幅に拡大します。アクティブなUSB Type-Cケーブルで使用する場合、USB PDは2つのデバイス間で双方向の電力フローを追加します。Type-Cコンフィギュレーション・チャンネル（CC）ピンで伝送される通信チャネルにより、電力フローはリアルタイムで反転することもできます。
3つの仕様は別個のものですが、HDMI対応USBシステムはType-CとUSB PDの両方の仕様をサポートする必要があります。さらに、リマップされた各ピンは、対応するHDMI 1.4機能のデータレートをサポートする必要があります。
HDMI 1.4には、4つの異なる速度で動作する6つのデータ・チャンネルがあります：
HDMIイーサネット＆オーディオ・リターン・チャンネル（HEAC）：100Base-TX（100Mbps）イーサネットに対応した高速双方向データ通信。 HEACには、IEC 60958-1に準拠したストリーミング・オーディオ・コンポーネントが含まれる。
TMDS（Transition Minimised Differential Signaling）：高速ビデオおよびデータ伝送用の3つの差動チャンネル。HDMI 1.4の最大スループットは10.2Gbpsで、1チャンネルあたり3.4Gbです。
DDC（Display Data Channel）：業界標準のI2Cプロトコルに基づく通信チャンネルで、標準レートは100kbps。
CEC（Consumer Electronics Control）：互換性のある機器の低速チャンネルを最大15個まで制御可能。このチャンネルはCENELEC EN 50157-1に準拠しています。
標準的なHDMI Type-Aコネクターを図2に、HDMIオルタネートモードにおけるUSB Type-Cコネクターの新しいピン定義を図3に示す。この実装では、3つのTMDSペアとそのクロック信号が8つのUSB TX/RXピンにマッピングされている。2つのSBUピンはHEACチャネルを、CCピンは低速CEC信号を伝送する。D+/D-ペアはこの変換の影響を受けないため、USB 2.0データ・チャネルはHDMIと並列に実行できることに注意してください。
図2：HDMIタイプAコネクターには19本のピンがあり、シールドされたツイストペアとして3つの高速データチャンネルが含まれる。
図3：USB Type-CスタンバイモードにおけるHDMIのピンマッピング（画像出典：HDMI.org）
USB PD仕様では、スタンバイ・モードに入るために必要な一連のイベントが定義されている。ユーザーが2つのUSB PD対応ポート間にアクティブなType-Cケーブルを接続すると、CCライン上で一連のネゴシエーションが行われる（図4）。ネゴシエーションでは、USBモードとオルタネート・モードのどちらを使用するか、どのオルタネート・モード規格を適用するかを決定します。
図4：USB PD対応ポートが他のUSB PDポートの存在を最初に認識すると、電源供給プロトコルと使用するデータ形式を決定するためのネゴシエーションが行われる。(画像出典：テキサス・インスツルメンツ）
HDMIの動作には必要ではありませんが、ネゴシエーション・シーケンスには、必要な電力レベルや電力フローの方向など、他のUSB PD機能も含まれます。初期化シーケンスによってHDMIが希望するプロトコルとして確立されると、両ポートは必要に応じてピンのマッピングを変更し、HDMI Alt Moldの動作が開始されます。
USB Type-CポートにHDMIを追加するには、どのようなハードウェア・コンポーネントが必要ですか？図5は、オルタネートモードのコンポーネントがハイライトされたUSB PDポートのブロック図です。アプリケーションがUSB PDの電力レベルを指定しない場合でも、オルタネート・モードに同意するにはCCライン上でネゴシエーションが必要なため、USB PD PHYとPDマネージャを含める必要があることに注意してください：
オルタネートモード物理層デバイス(PHY)は、ハイエンドグラフィックスプロセッシングユニット(GPU)からビデオ情報を受け取り、3本のTMDS差動データラインにエンコードします。
オルタネート・モード・マルチプレクサ（MUX）は、HDMI AMとUSBの実装を切り替えることができます。HDMIアプリケーションの場合は、HDMI信号を正しいType-Cコネクタピンに接続し、USB 3.1アプリケーションの場合は、RX/TX信号を接続し、ケーブルの向きに応じてそれらを入れ替えます。
図5：USB Type-C経由のスペア・モードには、緑色で示された2つの追加モジュールが必要。(画像出典：テキサス・インスツルメンツ）
HDMI Alt Mode仕様は新しいため、このアプリケーション専用に設計されたチップセットはまだ開発中です。しかし、DisplayPort Alt Modeの部品は容易に入手可能であり、HDMIフォーマット・コンバータを追加することで使用できます。図6は、USB、HDMI Alt Mode、および完全なUSB PD仕様をサポートするUSB Type-Cポートのブロック図です。
図6：USB Type-C/HDMIポートのブロック図
まず、テキサス・インスツルメンツのTPS65982スタンドアロンUSB Type-CおよびPDコントローラーが複数のタスクを実行する：
USB Type-Cケーブルの挿入とプラグの向きを検知します。
電源機能をネゴシエートし、その情報をI2C経由で動作モードを決定する監視用マイコンに渡す。
マルチプレクサーのAlt Mode設定を設定し、USBまたはHDMI信号を正しいデスティネーションにルーティングします。
動作中、TPS65982はUSB電源のルーティングと制御も管理する。
次に、テキサス・インスツルメンツ（TI）のHD3SS460高速双方向パッシブ4×6マルチプレクサ／デマルチプレクサは、オルタネートモードとUSBモードを切り替え、コネクタのフリップフロップに適応する。
最後の構成要素は、DisplayPortからHDMIフォーマットに切り替えるためのビデオコンバーターだ。
最初の2つはコンポーネントを過電圧から保護するもので、3つ目はシステム全体のパフォーマンスを向上させるものである。
USB ポートは外界に接続されているため、ユーザーがケーブルを抜き差しする際の潜在的な ESD ショックに対する保護を設計で提供する必要がありますが、ピンによって異なる ESD ソリューションが必要になります。ギガビット・データ・レートでは、設計者はシグナル・インテグリティを維持するために特別な予防措置を講じ なければなりません。ESD 保護デバイスなど、高速データ・パスに追加する回路は、ラインへのキャパシタンスを最小にする必要があり ます。SBU や CC などの低速データを伝送するピンは、キャパシタンスやインピーダンスの不整合の影響を受けにくい。
8本のTX/RXピンは、USBおよびHDMIモードで高速データ・チャンネルを伝送します。USB動作ではUSB 3.1チャンネル、HDMI AM動作では3本のTMDSチャンネルとクロックが伝送されます。
テキサス・インスツルメンツのTPD4E02B04過渡電圧抑制（TVS）デバイスは、高速データ・ピンを保護します。このデバイスは、チャネルあたりわずか0.25pFのI/O容量を持つ4チャネル双方向ESD保護ダイオード・アレイで、業界標準のUSON-10パッケージとフロースルー配線を使用してアライメント・インピーダンスを合わせます。
低速ピンのESD保護は、次に説明する別のデバイスに含まれている。
USB Type-Cコネクタのピン間隔はわずか0.5mmであり、以前のType-Aコネクタに比べてピン間ショートの可能性が高まっている。V BUSピンに隣接するピン（SBUとCC）は特に危険であり、特にUSB/HDMIポートがV BUSピンに最大22Vの電圧を印加できるUSB PD仕様に対応している場合はなおさらである。この持続電圧は、短絡時に隣接ピンに現れるだけでなく、V BUSへのホットプラグ短絡時に最大44Vのリンギング電圧を発生させる可能性があります。
テキサス・インスツルメンツの TPD8S300 USB ポート・プロテクタ（図 7）は、CC ピンと SBU ピンの VBUS 短絡に対する過電圧保護と電圧リンギングに対する保護を提供する。TPD8S300 は、SBU ピンと CC ピンを保護し、2 つの USB2.0 D+/D-ペアに追加の ESD 保護を提供します。
図7：TPD8S300のブロック図は、SBUピンとCCピンをVBUSショートから保護するために使用される直列FETと制御回路、さらに4チャンネルのESD保護を示す。(出典：テキサス・インスツルメンツ）
ESDやV BUSショートを防止するための部品を追加すると、高速のHDMIやUSB信号に影響を与える可能性があります。設計者が最善を尽くしても、信号の品質は基板を通過する際に必然的に低下します。 ICピンの寄生、PCBアライメント、ビアホールは、信号が出力ピンに到達する前に信号品質を劣化させます。
Type-Cコネクタの前の信号チェーンにアダプタ・ドライバを含めることは、高データレートで良好な信号品質を維持するためのコスト効率の高いソリューションである。アダプタ・ドライバは信号出力をブーストし、チャンネル損失を補正するリニア・イコライゼーションを搭載しています。USB Type-Cシステムでは、低品質のケーブルや非常に長いケーブルを使用した場合に、コンプライアンス・テストに合格し、デバイスの相互運用性を向上させるのに役立ちます。
テキサス・インスツルメンツのTUSB1046は、オルタネート・モード・マルチプレクサとアダプタ・ドライバを1つのデバイスに統合したものです。この部品には、HDMI 1.4の3.4Gbpsには十分すぎるAlt Modeチャネルあたり最大8.1Gbpsのデータレートをサポートするリニア・アダプタ・ドライバが含まれています。TUSB1046はもともとDisplayPort用に設計されましたが、プロトコルに依存しません。図8は、3つのHDMI TMDSチャンネルとTMDSクロックを再利用したDisplayPort 4チャンネルのセットアップを示しています。
図8: HDMI AMアプリケーション用に構成されたTUSB1046アダプター・スイッチ: このデバイスは、通常モードではUSB 3.1 SuperSpeed+にも対応する。(出典：テキサス・インスツルメンツ）
USB Type-Cは、ノートパソコンやスマートフォンなどのコンシューマー機器における高速データ通信の標準となりつつある一般的な規格の最新バージョンである。USBのオルタネートモード機能を活用するHDMIは、USB Type-C環境での使用を定義する仕様を発表した最新の高速データ規格である。設計者は、他の一般的なビデオ規格がDisplayPort、Thunderbolt、MHL、HDMIに加わり、オルタネートモードのトレンドに乗ることを期待できる。
HDMIは非常に一般的な規格であるため、HDMI専用のオルタネート・モード・チップセットが間もなく登場すると予想される。しかし、特定の回路モジュールに関係なく、この記事で取り上げた問題の多くは、同様の性能を持つあらゆるシステムで対処しなければならない基本的な工学的問題である。
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