C O N T E N T S

C O N T E N T S
まえがき・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・3

第1 USB 規格の基礎知識
章

11

1.1

時代とともに発展し続ける USB 規格・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 11

1.2

通信プロトコル / コネクタ / 電源の規格・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 18▶ USB 1.0/1.1▶デバイス・クラス▶ USB 2.0

▶ USB OTG

▶ Micro-USB ケーブル・コネクタ ▶ USB 3.0 ▶ USB 3.1▶ USB 3.1 レガシーケーブル＆コネクタ ▶ USB4

▶ USB 3.2

1.3電源の規格・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 23

1.4コネクタ / ケーブルの規格・ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 24▶ USB 規格の供給電圧の変化▶バッテリ・チャージング

▶ USB Power Delivery▶ USB Type-C ケーブル・コネクタ

コラム 1.A 一般ユーザと開発者で分けられた USB の名称・ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 17
コラム 1.B USB の Revision，Version，Generation の違い・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 26

第1部
第USB Type-C メカニズム

2 USB Type-C システムの構成
章

31

2.1

USB Type-C の全体像・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 31

2.2

USB Type-C のシステム事例・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 34▶ USB Type-C 規格はコネクタだけでなく新機能も規定 ▶おさらい…従来の USB 規
格 ▶コネクタ規格としての USB Type-C ▶機能 1…より多くの電力を供給できるPower Delivery ▶機能 2…映像信号も流せる Alternate Mode ▶機能 3…事故 / 侵入を防止する USB 機器間認証▶システム例 1 パソコン ▶システム例 2 スマートフォン▶システム例 3 ディスプレイ ▶システム例 4 Hub/ ドッキング・ステーション▶システム例 5 モバイル・バッテリ ▶システム例 6 AC アダプタ

5

第3 挿抜・裏表検出のメカニズム
章

41

3.1

USB Type-C 規格の定義範囲・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 41

3.2

ポートの役割（ポート・ロール）・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 42▶おさらい ･･･ 従来の USB 規格のポートの役割▶ USB Type-C 規格でのポートの役

割 ▶ポートの役割が違ってもコネクタは同じ
致しない場合もある▶ USB の機能とポートの役割が一

3.3

USB Type-C の信号・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 46

3.4

挿抜検出および裏表の検出方法・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 48▶コネクタ内の信号配置▶挿抜の検出方法▶裏表を気にせずにコネクタを挿すための仕組み▶裏表の検出方法▶ SuperSpeed の差動信号の接続▶ SuperSpeed 信号用の外付け MUX をなくす方法▶ USB 2.0 の信号の接続

3.5

DRP の挿抜および裏表の検出方法・ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 55

3.6

電力の供給能力を決める抵抗値・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 57

3.7

接続・切断検出の状態遷移図・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 59

3.8

接続・切断検出のタイミングチャート・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 63

第▶ DRP とソース / シンクが接続された場合▶ DRP と DRP が接続された場合▶ソース側のプルアップ抵抗値 Rp ▶シンク側のプルダウン抵抗値 Rd▶ E Marker のプルダウン抵抗値 Ra▶電圧値の継続時間やイベントの順番を監視する▶ソースとセルフ・パワー・シンク ▶ソースとバス・パワー・シンク ▶ DRP とシンク ▶ DRP とソース ▶ DRP と DRP ▶ソース優先 DRP と DRP ▶ソース優先
DRP とソース ▶ソース優先 DRP とシンク ▶ソース優先 DRP とソース優先 DRP▶シンク優先 DRP と DRP ▶シンク優先 DRP とシンク ▶シンク優先 DRP とシンク
優先 DRP ▶ソース優先 DRP とシンク優先 DRP ▶アクセサリ・サポートのシンクとオーディオ・アクセサリ ▶アクセサリ・サポートのシンクと VCONN パワード・
アクセサリ ▶アクセサリ・サポートのシンクと Alternate Mode 非対応の VCONN パ
ワード・アクセサリ ▶アクセサリ・サポートのシンクと VCONN パワード・アクセ
サリ以外

4 USB Type-C のコネクタ＆ケーブル
章

89

4.1

USB Type-C コネクタの特徴・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 89

4.2

USB Type-C のレセプタクル・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 91

6▶従来の USB コネクタと嵌合できない ▶ホストとデバイスの区別がなく，コネク
タの裏表を気にする必要もない ▶映像信号も伝送できる ▶ユニバーサルなコネク
タの誕生▶レセプタクルの形状▶レセプタクルの構造▶実装方法▶フットプリント

C O N T E N T S

4.3

USB Type-C のプラグとケーブル・ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 97▶プラグの形状▶プラグの構造▶プラグとケーブルを接続する子基板「パドル・カード」 ▶ケーブルの構造

4.4

USB Type-C コネクタの信号配列・ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 99

4.5

USB Type-C ケーブルの種類・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 105▶上下反転しても接続可能な信号配列▶各信号の機能▶従来の USB 機器との接続を可能にする▶ Type-C Standard ケーブル

▶ Type-C Legacy ケーブル ▶ Type-C Legacy アダプタ
▶ケーブルやプラグが実際に流せる電流容量

コラム 4.A 復習…従来の USB コネクタの互換性・ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 90
コラム 4.B Type-C は小さくて高密度なコネクタ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 92
コラム 4.C 計測機器や産業用機器用スクリューロック付き Type-C コネクタ・ ・・・・・ 101
コラム 4.D 電源専用プラグ（Power Only Plug）の規定・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 102

第5 ケーブル＆コネクタの伝送特性
章

115

5.1

Type-C コネクタ＆ケーブルの治具基板・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 115

5.2

・・・・・
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・
・ 120
Type-C ケーブルの伝送特性の規格
（参考）

5.3

伝送特性の規格値（必須）の表現方法・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 124

5.4

・・
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・ 125
Type-C Standard ケーブルの伝送特性の規格
（必須）

5.5

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・
・ 138
Type-C Legacy ケーブルの伝送特性の規格
（必須）

5.6

・・
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・
・ 140
Type-C Legacy アダプタの伝送特性の規格
（必須）

5.7

・・
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・ 143
Type-C コネクタ単体の伝送特性の規格
（参考）

5.8

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・ 147
コネクタの許容電流試験（必須）▶ケーブル試験▶コネクタ試験▶ Informative（ 参考）と Normative（ 必須） ▶各周波数に対する特性を対数で表す▶差動信号入力時の反射損失 ▶挿入損失 ▶クロストーク▶実測値ではなく積分処理した値で評価する▶ケーブルごとに規格値が違う▶使用する S パラメータ▶ Type-C Standard Full Featured ケーブル ▶ SuperSpeed 差動線路の伝送特性▶ D ＋ /D －の伝送特性 ▶ CC と SBU，VBUS の伝送特性▶ Type-C Standard USB 2.0 ケーブル

▶ Type-C Legacy ケーブル
▶ D ＋ /D －の伝送特性▶ SuperSpeed 差動線路の伝送特性▶ Type-C － Standard-A アダプタ

▶ Type-C － Micro-B（USB 2.0）アダプタ▶レセプタクル単体の試験をする経緯

▶規格値

7

5.9

シールドの伝送特性の規格（必須）・ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 148▶試験を行うようになった経緯▶測定方法▶ RFI 試験の限界値

コラム 5.A 各規格の損失配分・ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 116
コラム 5.B USB に利用されるケーブルの挿入損失・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 144
・・
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・ 150
コラム 5.C ケーブルとコネクタの合否判定ツール「IntePar」

Appendix 1
ひずみ補正機能を持つケーブル・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 153▶アクティブ・ケーブルの概要▶アクティブ・ケーブルの構成▶アクティブ・ケーブルに許される遅延時間

第2部
第▶アクティブ・ケーブルの熱設計

Power Delivery メカニズム

6 供給電力を決めるPower Delivery通信
章

167

6.1

Power Delivery 規格の定義範囲・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 167

6.2

パワー・ルールの目的・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 167

6.3

チャージャ・ロゴ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 169

6.4

供給可能な電圧と電流の組み合わせ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 170

6.5

供給する電力を決める通信・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 173

6.6

3 種類のメッセージ・フォーマット・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 178

6.7

メッセージの送受信の流れ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 189

6.8

・・・・・・・・・・・・・・
・
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・
・ 194
バッテリ充電に必要な機能「PPS」

8▶相互運用性を確保しつつ，誰でも使えるように▶供給可能な電力値が分かる▶パワー・ルールで電圧と電流が決まる ▶ソースが供給可能な電圧と電流▶ソースがオプションで供給できる電圧と電流 ▶シンクが受電できる電圧と電流▶シンクがオプションで受電できる電圧と電流▶接続検出から通信が始まるまでする仕組み…SinkTx▶パケット送受信の流れ▶効率よく双方向通信▶ヘッダ部 ▶メッセージ・タイプ ▶データ・メッセージのデータ・オブジェクト▶ Alternate Mode 用メッセージ SVDM

▶基本のメッセージ・シーケンス ▶パワー・ネゴシエーションのシーケンス▶パワーロール・スワップのシーケンス▶通常のバッテリ充電方式▶ダイレクト・チャージのバッテリ充電方式

C O N T E N T S▶電圧と電流を指定する通信方法「PPS」 ▶ PPS でのシンクが指定する電流値の意味▶ PPS のパワー・ルール▶ PPS の電力制限

コラム 6.A Power Delivery 2.0 と Power Delivery 3.0 の違い・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 168
コラム 6.B Alternate Mode に関する情報を通知する「ビルボード・デバイス・クラス」・・・・ 184
コラム 6.C USB Type-C/Power Delivery 以外の充電方式はどうなるの？・・・・・・・・・・・・ 196

第7.1

7 映像信号を流せる Alternate Mode章

現在のビデオ・インターフェースの状況・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 201▶複数の規格があり，それぞれコネクタ形状は異なる
ス ▶ディスプレイの性能を測る 5 つの指標

7.2

201

▶主要ビデオ・インタフェー▶ Alternate Mode に求められること

Alternate Mode の概要・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 206▶パソコンのコネクタ・ケーブル仕様を統一▶ USB ケーブルの中を映像信号がそのまま流れる ▶ Alternate Mode 対応のビデオ・インターフェース
ら音声・映像もデータも伝送▶給電しなが7.3

映像信号の割り当ての工夫・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 208

7.4

Alternate Mode への切り替え手順・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 211

7.5

Alternate Mode による映像信号の伝送・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 220▶ USB Type-C プラグのピン配置 ▶映像・音声信号は 4 レーンの高速差動伝送ラインを流れる ▶補助線によりビデオ・インターフェース独自機能にも対応▶ USB 2.0 専用線により映像・音声と同時にデータ通信 ▶最大 100W の給電▶動作モードごとに使える機能が変わる▶ Alternate Mode のシステム構成 ▶ USB Type-C の接続検出から動作開始▶ Power Delivery パケットの拡張 ▶ Alternate Mode で使用されるメッセージ VDM▶ Alternate Mode で使うコマンド ▶ Alternate Mode の起動方法▶ DisplayPort を流す場合▶ HDMI を流す場合

Appendix 2
USB4 で注目の Thunderbolt Technology・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 227▶ Alternate Mode 対応の Thunderbolt ▶ Thunderbolt の概要▶ Thunderbolt のマルチプロトコル ▶ USB4 と今後の方向性

Appendix 3
粗悪ケーブルをはじく USB 機器間認証・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 235▶ USB 機器間認証が規格化された背景▶ USB 機器間認証の認証方法▶使用される認証技術「ITU-T X.509」

コラム A3.A USB 認証と USB 機器間認証は別物・ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 236

9

第3部
第
8.1

USB Type-C ソフトとハード

8 USB システムのソフトウェア
章

USB ソフトウェアが担うシステム機能の変遷・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 249▶ USB 規 格 と 利 用 用 途
Windows OS の関係

8.2▶ USB 規 格 と 映 像 規 格 の 関 係▶ デ バ イ ス・ ク ラ ス と▶利用用途の拡大が続く USB インターフェース

Windows OS の USB 3.2 ドライバ・モデル・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 253▶ Type-C 対応に伴うドライバ・スタックの変更▶ USB デバイス（ファンクション）・ドライバ▶ Type-C コネクタ・ドライバ

8.3

249

▶ USB ホスト・ドライバ▶ USB ロールスイッチ・ドライバ

USB デバイス・クラス・ドライバの設計例・ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 269▶①ドライバのロード▶②初期化処理▶③リソースを取得する▶④デバイス接続 / 切断の通知 ▶⑤ポート検出とポート・タイプ設定▶⑥デバイス接続の処理 ▶⑦データ転送 ▶⑧電源管理

8.4Linux OS の USB ドライバ・モデル・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 286▶ Linux OS の USB サポート状況 ▶ Linux 特有の仕組み ｢USB Gadget｣ ▶ Power
Delivery ＆ Type-C の対応 ▶ Joule 570x developer Kit での Linux ドライバ実機確認

コラム 8.A 独自仕様の USB コントローラの例・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 264

第9 USB システムのハードウェア
章

295

9.1

Power Delivery 対応のシステム・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 295

9.2

事例別のハードウェア設計例・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 297

9.3

Power Delivery 対応で注意すべき仕様・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 309▶ Power Deliver 対応で実現する機能▶アプリケーション例▶回路設計で考えるべき要件 ▶事例 A：AC アダプタ ▶事例 B：従来の周辺機器な
どのデバイス機器 ▶事例 C：デッド・バッテリへの対応と CC クランパ

著者紹介・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 313
参考文献・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 314
索引 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 316
奥付 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 320

10

第

1章

1.1

時代とともに発展し続ける USB 規格

野崎 原生

USB 規格の基礎知識
USB（Universal Serial Bus）は，初めの USB 1.0 ができてから 20 年以上がたつ，長い歴史を持つ規格です．そのため，初めて学ぶ人はその 20 年の積
み重ねを一度に学ばなければなりません．
本章では，USB の歴史を順を追って説明します．USB の基本となる考え
は 20 年間変わっていません．

1.1

時代とともに発展し続ける USB 規格

本章では USB の歴史を，通信プロトコル，電源およびコネクタの 3 つの切り口に分けて，それぞれの変遷を年表としてまとめました（図 1.1）．
USB 1.0 から 3.1 までは，通信プロトコルと電源，コネクタの 3 つを含んだUSB 規格が中心にあり，Micro-USB のコネクタ規格やバッテリ・チャージング
の電源規格などがそれに付随する形で存在していました．
しかし，USB Type-C 規格の登場により，その構図が大きく変わります．今までの切り口では単なるコネクタ規格に過ぎなかった USB Type-C が，むしろ規格の中心になったかのような様相となりました（写真 1.1）．USB Type-C により今までにない機能を実現できるようになり，その機能を生かす形で USB 3.2の 2 レーン動作や Power Delivery の Alternate Mode などが生まれました．
そして，この流れはさらに加速し USB4 へと続いていきます．

写真 1.1
USB Type-C はコネクタのことだけど，規格ではコネクタだけではなく，USB の新しい機能も定義されている

11

第

2章

2.1

USB Type-C の全体像

野崎 原生

USB Type-Cシステムの構成
USB Type-C コネクタを使用するシステムを設計するにあたり，参照するべき規格は 1 つではありません．システム仕様に合わせて，各規格を相互に参照して設計する必要があります．
本章では，実現したい USB システムと規格との関係を説明します．

2.1

USB Type-C の全体像

● USB Type-C 規格はコネクタだけでなく新機能も規定
USB Type-C といった場合，コネクタの裏表を区別することなく差し込めるコ
ネクタやケーブルを思い浮かべる方が多いでしょう．しかし，USB Type-C 規格
はコネクタやケーブルだけでなく，電力供給機能（USB Power Delivery）や映像
信号伝送機能（Alternate Mode）などの USB Type-C コネクタでなければ実現できない機能も規定されています（図 2.1）．

● おさらい…従来の USB 規格
従来の USB 規格は，接続されたデバイスをパソコンなどのホストから使用するのが目的です．USB 2.0 および USB 3.1 までの規格は，ホストと各種デバイス

追加機能

USB 3.2

USB 3.2

Power Delivery

USB 2.0

USB 2.0

Alternate Mode

バッテリ・チャージング

バッテリ・
チャージング

USB 機器間認証（a）従来のUSB（Type-A/B）コネクタ

図 2.1

追加機能

（b）USB Type-C コネクタ

従来の USB（Type-A/B）コネクタと USB Type-C コネクタの守備範囲

USB Type-C では，従来の通信や電源の機能に加えて，Power Delivery と Alternate Mode，USB 機器間認証の機能に対応した

31

第

3章

3.1

USB Type-C 規格の定義範囲

野崎 原生

挿抜・裏表検出のメカニズム
本章では USB Type-C 規格で定義されている，USB Type-C コネクタの構造から挿抜・裏表検出のシーケンスについて詳しく解説します．また，第 2章でも示したように，USB Type-C 規格は他の規格からも参照されます．
Power Delivery を実現するために必要な規格部分についても解説します．

3.1

USB Type-C 規格の定義範囲

USB Type-C 規格では，裏表を気にせずに挿せるコネクタの構造から，その挿抜シーケンスなどが規定されています．また，今までの USB 通信規格ではホストとデバイスでコネクタの形状が異なっていましたが，USB Type-C 規格ではホ
ストでもデバイスでも同じコネクタが使用されます．その仕組みと検出方法についても規定されています．
さらに，第 2 章で説明したとおり，USB Type-C 規格は単独で用いるだけではなく，他の規格と組み合わせて次の機能を実現することも含めて規定されています．

・機能 1 USB 3.2 の 2 レーン動作
・機能 2 Power Delivery
・機能 3 Alternate Mode・機能 4 USB 機器間認証

USB 3.2 の 2 レーン動作は，USB 3.2 規格と Power Delivery 規格の両方を参照

す る こ と に よ り 実 現 で き ま す．Power Delivery と USB 機 器 間 認 証 は，USB
Type-C 規 格 と Power Delivery 規 格 の 両 方 の 参 照 で 実 現 で き ま す．Alternate
Mode は，DisplayPort や Thunderbolt などの規格と組み合わせて参照することで実現できます．

41

第

4章

4.1

USB Type-C コネクタの特徴

池田 浩昭

USB Type-C のコネクタ＆ケーブル
従来の USB コネクタを持つ機器と接続するために，多くの種類の USB
Type-C ケーブルが存在し，転送伝送レートや許容電流，CC 端子の処理がそれぞれ異なります．また，レセプタクルはノイズ問題を解決するための構造が追加されました．本章では，USB Type-C コネクタ，ケーブルの種類や構造，
ピン配置，フットプリントについて解説します．

4.1

USB Type-C コネクタの特徴
かんごう● 従来の USB コネクタと嵌合できない
USB 3.0 までのコネクタは下位互換性があり，USB 3.0 規格のコネクタでもUSB 2.0 規格のコネクタと嵌合できるように考慮されていました（コラム 4.A）．
USB Type-C（以下，Type-C）規格のコネクタは，従来の USB コネクタと形状がまったく異なり，同じ USB ですが USB 2.0 や USB 3.0 規格のコネクタとは嵌合できません．

● ホストとデバイスの区別がなく，コネクタの裏表を気にする必要もない
従来の USB 規格は，ホスト側が Type-A（Standard-A，Micro-A）コネクタで，デ イ バ ス 側 が Type-B（Standard-B，Micro-B）コ ネ ク タ と 決 ま っ て い ま し た．
Type-C コネクタは，ホストとデバイスの両方への実装が可能で，ホスト側とデバイス側で同じコネクタが使用されます．また，Type-A や Type-B のコネクタに関わらず，一般的なコネクタは上下方向が決まっています．そのため，嵌合させる向きを合わせる必要があります．しかし，Type-C コネクタは，嵌合させる
際に上下の向きを気にする必要はありません．
従来の USB コネクタの，特に Standard-A はプラグもレセプタクルも長方形なので上下方向が分かりにくく，プラグとレセプタクルの両方を嵌合面から確認しないとうまく接続できませんでした．パソコンの裏側にあるポートに USB マウスやキーボードのコネクタを挿す際に，苦労したことがある方は多いのではない
89

第

5章

5.1

Type-C コネクタ＆ケーブルの治具基板

池田 浩昭

ケーブル＆コネクタの伝送特性
USB Type-C では，従来の USB 3.0 規格とは異なる指標でケーブルの伝送特性を規定しています．また，コネクタ単体（プラグとレセプタクルの嵌合状態）での規格やケーブルのシールド特性試験も義務付けられました．
本章ではケーブル，コネクタのこれらの電気特性の評価方法や考え方，規格値に関して解説します．

5.1

Type-C コネクタ＆ケーブルの治具基板

Type-C コネクタの伝送特性規格は従来の USB 3.0 規格とは少々異なり，ケーブルとコネクタ単体（Mated Connector）に分かれています．これは，ケーブルとレセプタクルの特性を完全に分けて評価するためです．

● ケーブル試験
ケーブル特性試験は，ケーブル＋プラグの特性，つまりケーブル・ハーネス（ケーブル・アセンブリ）状態を測定します．ケーブル・ハーネス単体では測定できないので，レセプタクルが実装された治具基板を使います（写真 5.1）．
USB 3.0 規格では，治具基板に実際のレセプタクル（Standard-A や Micro-B など）が実装されていましたが，Type-C 規格ではダミー・レセプタクルが実装されています．写真 5.2 に示すように，ダミー・レセプタクルは，基板上にレセプ
タクルのコンタクトと同じ幅のフットプリントを設け，その周りを金属シェルで囲んだものです．ちょうどカードエッジ・コネクタに嵌合する基板側のイメージ
です．ダミー・レセプタクルを使う理由ですが，メーカごとにレセプタクルの特性が異なるので，その影響を避けるためです．また，ダミー・レセプタクルの方が挿入損失や反射損失が低く，レセプタクル自体の影響も極力排除できます．
治具基板には，測定器と治具基板を接続するための同軸コネクタや配線があります．実際の測定では，写真 5.3 の校正基板を使って，治具基板上の同軸コネク
タや配線の損失や反射を取り除き，ダミー・レセプタクルとケーブルのみの特性
115

Appendix

1

A1.1

アクティブ・ケーブルの概要

池田 浩昭

ひずみ補正機能を持つ
ケーブル
A1.1

アクティブ・ケーブルの概要● 規格が生まれた背景…長いケーブルがほしい
USB Type-C のケーブル・ハーネスは，プラグのフード寸法に規定があるため，太いワイヤが使えません．したがって，USB Type-C で USB 3.2 Gen2（10Gbps）の規格を満たすにはワイヤを短くするしかなく，その長さは 1m 前後となります．
USB 3.2 Gen1（5Gbps）規格でも 2m が限界になります．
パソコンとハードディスクの接続であれば 1 〜 2m でも問題ないでしょう．しかし，プリンタや計測機器と接続したい場合はもっと長いケーブルがほしくなり
ま す． ま た，USB Type-C は Alternate Mode を 使 用 し て 映 像 信 号 で あ る
DisplayPort を伝送可能です．広い会議室や天井に設置された液晶プロジェクタと接続する場合，ケーブル長が 1 〜 2m では足りません．また，製造現場で使われる検査機のカメラ（マシンビジョン）やバーチャル・リアリティ用のヘッドマ
ウント・ディスプレイ，ATM など，さまざまな分野での利用も USB Type-C は期待されており，これらの分野でも 2m を超えるケーブル長が必要になります．
そこで，伝送距離を伸ばすために，ケーブル・プラグの内部に能動素子（Active
Device）を実装し，プリント基板や配線の損失による波形ひずみを補正する，ア
クティブ・ケーブルの仕様が規格化されました．

● 動作原理高速差動信号を送受信する LSI には，プリント基板やケーブルの損失による波形のひずみを補正するディエンファシス機能やイコライザ機能が搭載されています．これと同じ機能を持つ能動素子をプラグの内部に実装したものが，アクティ
ブ・ケーブルです．
図 A1.1 に，アクティブ・ケーブルを伝わる高速差動信号の波形を示します．
図はホスト機器からデバイス機器に向かう信号を示しますが，デバイス機器からホスト機器に向かう信号でも同様です．
153

第

6章

6.2

Power Delivery 規格の定義範囲

野崎 原生

供給電力を決める
Power Delivery通信
本章では USB Type-C コネクタを使用して，最大 100W（20V，5A）までの電力供給を可能にする Power Delivery 規格について解説します．電力を供給する上で最も重要となるパワー・ルールから受給電する電圧と電流を決める
通信方式，さらにバッテリへの急速充電を可能にする PPS（Programmable
Power Supply）までを説明します．

6.1

Power Delivery 規格の定義範囲

USB Power Delivery 規格では，USB Type-C コネクタの CC1/CC2 を使った従来の USB とは別の通信経路を定義して，その通信で得られる情報や制御によって以下のような新しい機能を可能としました．

・ソースとシンクでネゴシエーションを行って 5V，3A 以上の電力を供給する
・データロールやパワーロールを独立に交換できるようにして，USB Type-C
規格よりも柔軟なデュアルロール・デバイスを可能とする・ケーブルの E マーカと通信して，ケーブル特性などの情報を取得可能とする
・Alternate Mode へ遷移するための通信プロトコルを定義して，USB コネク
タを USB 以外の通信で使う際の仕様を標準化した・USB 機器間認証やファームウェア・アップデートをサポートするためのベースとなる通信を定義した

6.2

パワー・ルールの目的● 相互運用性を確保しつつ，誰でも使えるように
パワー・ルールとは，Power Delivery 対応の AC アダプタと受電デバイスとの間のインターオペラビリティ（相互運用性）を確保するために，ソースとシンクにおいて守らないといけない規格のことです．Power Delivery 規格の最も重要なポイントといって過言ではないでしょう．
167

第

7章

7.1

現在のビデオ・インターフェースの状況

長野 英生

映像信号を流せる
Alternate Mode
Alternate Mode を使うことで，現在使用されている多数のビデオ・インターフェースのコネクタやケーブルを USB Type-C に統一でき，機器のインター
フェース設計を極めてシンプルにできます．
本章では，ビデオ・インターフェースの最新動向と Alternate Mode の必要性を説明します．そして，Alternate Mode の概要とユースケース，対応する
ビデオ・インターフェースを示します．

7.1

現在のビデオ・インターフェースの状況● 複数の規格があり，それぞれコネクタ形状は異なる
図 7.1 にパソコンやテレビ，周辺機器のインターフェースを示します．
パソコンとモニタ間のビデオ・インターフェースは，以前はアナログ・インターフェースとして VGA（Video Graphic Array，D-Sub 端子とも呼ばれる）が広く使われてきました．現在は高速ディジタル・インターフェースとして，コンテンツ保 護 や 音 声 伝 送も 1 本のケーブルで対応が可 能 な，HDMI（High-Definition
Multimedia Interface）や DisplayPort が広く普及するようになりました．その他，
Thunderbolt もパソコンのビデオ・インターフェースとして使われています．
テレビのインターフェースは，パソコンと同様に，HDMI が標準インターフェー
スとして広く普及するようになりました．テレビと接続される DVD，STB（Set
Top Box），ゲーム機器なども HDMI が標準的に搭載されています．
また，マウスやプリンタなどのパソコン周辺機器とのデータ・インターフェー
スや充電ケーブルとして，USB が標準インターフェースとして広く普及しています．
このように，
パソコンやテレビのインターフェースは，それぞれ専用のインターフェースが使用されており，ユーザはそれぞれに対応した専用のコネクタとケーブルを準備する必要があります（図 7.2）．

201

Appendix

2

A2.2

Alternate Mode 対応の Thunderbolt

畑山仁

USB4で注目のThunderbolt Technology
A2.1

Alternate Mode 対応の Thunderbolt

DisplayPort 同様に USB Type-C コネクタを採用した規格として，Intel 社とApple 社によって開発された Thunderbolt Technology（以下，Thunderbolt）があります（写真 A2.1）．Thunderbolt3 はネイティブとして USB 3.2 Gen2 として動作し，DisplayPort ともども USB Type-C の Alternate Mode でサポートされます．
ネイティブとは，Thunderbolt3 の USB Type-C コネクタにそのまま USB 3.2
デバイスを接続できることを意味します．ホスト，ケーブルおよびデバイス間でパワー・ネゴシエーションの後に Thunderbolt3 をサポートしていることを確認した上で，Thunderbolt3 で接続されるようになります．

A2.2

Thunderbolt の概要● 各世代の仕様
Thunderbolt は，パソコンと周辺機器間をケーブルで接続する，10Gbps 超でのマルチプロトコル・インタコネクト技術として最初は開発されました．
2011 年 2 月24日（米国時間）発表の MacBook Pro に突然搭載され，業界内に衝撃が駆け巡りました．コネクタは，第 2 世代の Thunderbolt2 までは Mini DisplayPort（以下，Mini-DP）互換のコネクタを使用していましたが，第 3 世代の Thunderbolt3（a）レセプタクル（b）プラグ

写真 A2.1 Thunderbolt3 のコネクタは USB Type-C で，Thunderbolt
かはアイコンで識別する

227

Appendix

3A3.1

USB 機器間認証が規格化された背景

野崎 原生

粗悪ケーブルをはじく
USB機器間認証
A3.1

USB 機器間認証が規格化された背景● 問題 ①…パソコンへの不正侵入を可能とする Bad USB
昨今の USB の問題として，いわゆる Bad USB と呼ばれるものがあります（図A3.1）．これは，USB フラッシュドライブ内のファームウェアを悪意のあるものに書き換えたものです．その USB を挿したパソコンにバックドアを仕掛けて，
ネットワークから侵入できるようにします．
バックドアを仕掛けられたパソコンは，攻撃者からは丸見えの状態になり，そのパソコン内にある情報やファイルの全てを取り放題となってしまいます．あるいは，攻撃者が他のサーバへ侵入するときの踏み台としてバックドアを仕掛けられたパソコンが使われるかもしれません．そして，そのサーバからはあなたのパソコンが侵入したように見えるため，最悪の場合にはあなたが犯人として逮捕されることも起こり得ます．

● 問題 ②…粗悪なケーブルによる発熱・発煙・発火Power Delivery では供給可能な電力を大幅に増やし，最大 100W（＝ 20V ×
5A）まで可能となりました．USB ケーブルだけで電力供給できるアプリケーショ
ンも大幅に増え，ユーザの利便性も向上しました．
その一方で従来よりも大きな電力を扱うため，ケーブルに要求される電気特性や耐久性も従来よりもより良いものが必要になります．例えば，VBUS ワイヤの図 A3.1 Bad USB をパソコンに挿すだけで感染．インターネット侵入を許しデータを改ざんしたり盗み取ることも可能に…

235

第

8章

8.1

USB ソフトウェアが担うシステム機能の変遷

永尾 裕樹

USB システムのソフトウェアUSB Type-C コネクタのサポートにより，Type-A または Type-B コネクタの形状によって固定化されていたホストまたはデバイスのソフトウェアの実装方法は，デュアルロール機能に対応するために変化することになります．
本章では，Windows OS/Linux OS での最新デバイス・クラス対応やデュ
アルロール機能対応について解説し，さらにサンプル・ソースコードを示し
ます．

8.1

USB ソフトウェアが担うシステム機能の変遷● USB 規格と利用用途
USB インターフェースが世の中に登場してから 20 年が経過し，現在ではパソ
コン用周辺機器のインターフェースとしてなくてはならない存在となっています．各規格とその利用用途を図 8.1 に示します．
USB の歴史は，
1996 年に発表された USB 1.0 規格から始まります．この時代は，
まだパソコンに接続される周辺機器の種類も限られており，マウスやキーボードの PS/2 ポート，モデムのシリアル・ポート，プリンタのパラレル・ポートなどの置き換えとして，USB は使われました．USB 1.0 の転送速度の上限は 12Mbps
で，当時のハードディスク・インターフェースとして使われていた SCSI（Small
Computer System Interface）と比較すると十分な転送速度ではありませんでした．そのため，ストレージ・デバイスとしては，コンパクトフラッシュのリーダ・
ライタやフロッピーディスク・ドライブのインターフェースに USB は使われました．
2000 年 に USB 2.0 規 格 が 発 表 さ れ， 転 送 速 度 の 上 限 が USB 1.0 の 約 40 倍 の
480Mbps に上がりました．この速度域がサポートされたことにより，ストレージ・
デバイス（USB メモリや USB ハードディスク）のインターフェースとして，USBは一般的になりました．ストレージ・デバイスの拡張インターフェースとして普及すると同時に，周辺機器インターフェースとしての用途が一気に多様化しまし
249

第

9章

9.1

Power Delivery 対応のシステム

宮崎 仁

USB システムのハードウェアUSB Type-C コネクタの登場により，USB 機器のホストとデバイスのどちらにも同じコネクタが使われるようになり，接続時に DFP か UFP かが判断されます．さらに Power Delivery に対応すれば，電源供給のソースかシンク
も動的に変更可能です．本章では，USB Type-C + Power Delivery に対応したハードウェア設計について解説します．

9.1

Power Delivery 対応のシステム● Power Delivery 対応で実現する機能
本章では，USB Power Delivery 規格注 1 に対応したハードウェア設計について説明します．
USB Type-C に Power Delivery は必須ではありませんが，対応にすれば電源供給の自由度が大きく向上します．また，映像信号を USB Type-C コネクタで伝送する Alternate Mode には Power Delivery が必須です．Power Delivery は高電圧や大電流のイメージが強いですが，電源供給の方向を自由にかつ動的に決められる点が大きな特徴です．
Power Delivery 対応でない USB Type-C のシステムでは，パワー・ロールとデータ・ロールの組み合わせは固定的に決められています．ソース（電源の供給側）は常に DFP（Downstream Facing Port）でなければならず，シンク（電源の受電側）は常に UFP（Upstream Facing Port）でなければなりません．ホストがデスクトップ・パソコンでデバイスが周辺機器のような場合には，これで問題ないでしょう．しかし，例えばホストがノート・パソコンやタブレットなどのバッ
テリ駆動の機器で，それにディスプレイやプリンタなど AC 駆動のデバイスを接注 1：Power Delivery 3.0 以 降 で は USB Type-C が 必 須 で，Type-A や Type-B の コ ネ ク タ と Power
Delivery を組み合わせることはできない．したがって，本章では Power Delivery と書けば USB
Type-C+Power Delivery を意味することとする
注 2：本稿は，ローム株式会社に取材協力をいただき執筆している

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このPDFは，CQ出版社発売の「USB Type-Cのすべて」の一部見本です．
内容・購入方法などにつきましては以下のホームページをご覧ください．
■内容
https://shop.cqpub.co.jp/hanbai/books/46/46441.html■購入方法 https://www.cqpub.co.jp/order.htm