USB Type-Cとは？

USB Type-Cについて基本的な解説をしています。従来のUSB-AやUSB micro-Bとの違いについても記載しております。24本のピンアサインを持つUSB Type-Cは、リバーシブルで使用可能で、データ通信と給電がマルチに使える新しい規格のコネクタです。

USB Type-Cって何？

USB Type-Cとは、USB規格の新しいコネクタ規格の事です。USB Type-C™またはUSB-C™と呼ばれており、こちらの表記は、USB規格の仕様策定団体(非営利団体)のUSB Implementers Forumによる登録商標です。

このUSB Type-Cが世に公に発表されたのは2014年で、最近ではApple社を始めとしたPCメーカーでもUSB-Cのポートが搭載されており、生活の身近なところでも、USB-CのACアダプターを見かける機会が増えて参りました。先日発表された最新のiphone 11 pro, iphone 11 pro maxには18WのUSB-C対応アダプターが付属しております。(USB-C対応アダプタを見てみる)

給電とデータ通信が同時に行える

このUSB Type-Cコネクタの魅力は、給電とデータ通信を同時に行うことを可能とする事です。今後様々な製品や規格（USB Power Delivery（PD）・クイックチャージ規格等）に活用されていきますので、更に普及していく事が予想されているコネクタです。

先日Apple社が発表したipad proにはUSB-Cが採用され、ipad proからiphone等の他のデバイスへの充電が可能となるなど、話題となっております。これはUSB-Cが今後、Thunderboltから置き換わっていく流れになるかもしれません。

従来よりもさらに高速なデータ転送が可能に

また、従来のUSB３.0に比べ約数２倍の速度で(理論値10ギガビット)データ転送が可能な、USB3.1のgen2に対応しているUSB-Cも登場し、データの高速転送や、USB-PDの特徴を最大限に生かすコネクタと言えます。(すべてのUSB Type-CがUSB3.1という訳ではないので注意が必要です。)

USB-C 3.0/3.1/3.2とは

上記で記載しましたが、全てのUSB-CがUSB3.1という訳ではありません。ここで、USB-C3.1や、2.0の違いについて簡単に説明いたします。

USB-C 3.1とは一般的にUSB-Cのメリットを最大限に活かせる、いわばフルスペックのケーブルのことで、これはUSB PD2.0の仕様の構成チャネル(Configuration Channel)や、VDM(Vender-defined messages)に基づくID機能を搭載したチップが入った、電子的に仕様が明確となっているケーブルことです。

このID機能を搭載したチップから提供される情報としては、製品およびベンダー情報、ハードウェア／ファームウェアのバージョン情報、2.0、Gen1、Gen2などのUSB信号プロトコル、パッシブ／アクティブの構成、Vconn電源の供給、vbass電流、レイテンシ情報(データの転送要求を出した後、データが送信される間に生じる、通信の遅延時間を図る指標)、TX、RXの方向の情報、SOPコントローラーモード(STart of packetパケット開始)の情報などです。

ケーブルの長さは、第一世代の物は≤2 mで第二世代の物は≤1 mになります。

USB-C 2.0のケーブルは、最大で4メートルの長さまで対応が可能ですが、超高速仕様ではなく、サイドバンド信号ピン、追加の電線は入っていません。

従来のコネクタの形と比べてみよう

これを見るとUSB Type-Cのコネクタの形は、大きさでいうとMicro-USBのサイズに一番近く、楕円形でコンパクトな形になっております。一番左のコネクタの画像は、おそらく一般ユーザーの間で、最も馴染みのあるUSB Type-Aかと思います。
USB Type-Aはリバーシブルではなく、よく差し込む方向を間違えて、うまく機器側の口に入らない経験があると思いますが、USB Type-Cはリバーシブルで使えるため、上記のように煩わしい気持ちになりません。

USB Type-Cのピンアサインは配置に工夫がある

Type-Cのピンアサインは表で表すと以下のようにな配置になります。

GND	TX1+	TX1-	Vbus	CC1	D+	D-	SBU1	Vbus	RX2-	RX2+	GND
GND	RX1+	RX1-	Vbus	SBUS2	D-	D+	CC2	Vbus	TX2-	TX2+	GND

という配置になっており、TX1+、TX1-, RX1+, RX1-と、RX2- ,RX2+, TX2-, TX2+の８本がデータレーンとなっており、中心のD＋-がUSB2.0のデータ通信用で、CC1,CC2は接続、設定の検出、コンフィグ用、Vbusはバス電源用、GNDは設置用となっており、上下逆に接続しても、TX1+-。RX1+-がどちらかの信号用のピンと接続できるように工夫したピンアサインの配置となっているのが特徴です。

モードや使用例による、使用ピンアサインの比較

USB2.0/1.1の場合

USB2.0/1.1デバイスの場合の使用レーンは以下のようになります。

GND	TX1+	TX1-	Vbus	CC1	D+	D-	SBU1	Vbus	RX2-	RX2+	GND
GND	RX1+	RX1-	Vbus	SBUS2	D-	D+	CC2	Vbus	TX2-	TX2+	GND

VBUSとGNDは最大で５V500mAの電流を流すことが可能で、一対のD+-のピンを使用して接続します。
USB2.0/1.1のデバイスにUSB-Cのホストを接続するためには、CCピンにRdを使用することが必要です。

USB 3.0/3.1/3.2の場合

USB3.0/3.1/3.2モードの場合の使用レーンは以下のようになります。

GND	TX1+	TX1-	Vbus	CC1	D+	D-	SBU1	Vbus	RX2-	RX2+	GND
GND	RX1+	RX1-	Vbus	SBUS2	D-	D+	CC2	Vbus	TX2-	TX2+	GND

USB3.0/3.1/3.2のモードでは、5から２０ギガビットのスループットを実現するために、最大4つのTX／RX高速リンクが使用されます。
CCピンはどちらか一つ、モードをネゴシエートする際に使われます。USB3.1の使用では、GNDとVbussにて、最大で５V９００mAが供給可能です。5V3Aを流すこともできます。

USB-Cは小型、薄型の機器にも最適

USB Type-Aの後、MicroUSBや、Mini-USBが市場に出てきた理由は、デバイス機器の小型化、薄型化が進んだ関係で、コネクタの面が大きいUSB-Aの挿し口が、機器に収まらなくなってきたからと言われております。

USB-Cの場合は、従来のUSB Type-Aの約３分の１のサイズなので、小型、薄型の機器に対しても、問題なく使用できるという訳です。

オルタネートモード対応で、配線がすっきりまとまります

モニターに映像を映す時や、オーディオに使うHDMIやディスプレイポート、VGA、サンダーボルト3など、コネクタも様々な規格により別れていますが、USB-Cにはオルタネートモードと言われる、これらすべての機器の信号に対応しているため、電力とデータ出力/通信が可能になっております。

上記の使用例でいうと、左側のポートでUSB-Aによりスマートウォッチを充電し、真ん中のポートでHDMIによりモニターに映像を出力、右側のポートからスマートウォッチ、ノートPC給電することができ、ノートPCへの接続は３本のところ、一つで済ませることができます。

オルタネートモード時は、機器からホストへのオルタネートプロトコルの信号送信用に使うため、USB-C 3.1ケーブルの一部ラインを専用に使用します。4本の高速レーン、2本のサイドバンドピン、および2本のUSB 2.0データピンと、1本のコンフィギュレーションピンを代替モードの伝送に使用する事が可能です。このモードは、設定チャネルを通し、ベンダー定義メッセージ（VDM）で設定することによって使用されます。

2018年には、オルタネートモードパートナー仕様と呼ばれる物が、5つのシステムにより定義づけられました。オルタネートモードはオプション機能であり、USB-Cの機能と機器にとって、特殊なオルタネートモードをサポートすることは義務ではありません。USB-IFはオルタネートモードパートナーと協力し、ポートがロゴに対し正しくラベリングされているかを確認しています。

オルタネートモード時に使用するレーンは以下になります。

GND	TX1+	TX1-	Vbus	CC1	D+	D-	SBU1	Vbus	RX2-	RX2+	GND
GND	RX1+	RX1-	Vbus	SBUS2	D-	D+	CC2	Vbus	TX2-	TX2+	GND

オルタネートモード時は、SBU1と２が低速のリンク、高速リンクは最大で４つで、必要な方向にて使用されます。２つの高速リンクが使用されない場合は、USB3.0/3.1のリンクを確立することが可能です。ネゴシエーション用のピンはCCで、USB2.0はD+D-のピンからも信号の入手が可能です。

オーディオアクセサリーモード

USB-Cを搭載している機器は、ジャック3.5mmのオーディオアダプターのヘッドセット(アナログ)に対応して、かつ500mAのデバイス充電を可能にすべく、USB-Cの変換ポートをオプションでつける機器も見られます。スマホに給電しながらアナログのヘッドセットで音楽聴くことができるという事です。いずれUSB-C端子から音楽を聴くというのが一般となり、スマホから3.5mmジャックが無くなるということが起こるかもしれません。