USB Type-C パワーデリバリーをあなたの設計に追加しましょう！

はじめに

USB Type-C Power Delivery (PD) は、ハードウェアが最大100W（更新された2.1仕様では最大240Wまで！）の電力を供給または受電できるようにする、ハードウェア設計でますます普及しています。この記事では、USB Type-C Power Deliveryの基本を探り、専用のPD ICを自分の設計に簡単に組み込む方法を学びます。

図1 USB Type-C PDデモボード

USBコネクタとそれに対応するケーブル（例えばUSB Type-AやType-B）は、USBの歴史の大部分においてデータと電力の接続の標準でした。しかし、これらのインターフェースは電力供給の点で制限があります。対照的に、USB Type-Cは、より高い電流を扱えるピンと電力交渉のための通信チャネルピンを備えた、より多様なソリューションを提供します。

図2 USB Type-Cコネクタ（出典：Farnell）

図3 USB-Cコネクタのピン配置（出典：All About Circuits）

特に電力供給に関心があるピンは、もちろん電力とグラウンドのピン（VBUS、GND）ですが、通信チャネルのピン（CC1、CC2）もあります。これらのCCピンは、デバイス間（受電側と供給側）で電力を交渉するために使用できます。

ここではUSB Type-C PD仕様の詳細には触れませんが、Texas InstrumentsとUSB-IFによる2つの入門書を強くお勧めします。

さらに、こちらでUSB Type-C PDをベースとしたハードウェア設計の完全なビデオウォークスルーをチェックしてください。

USB Type-C PDコントローラIC

最大15Wの電力のみが必要な場合、USB Type-C供給を利用する非常にシンプルな方法は、「直接交渉」なしで実現できます。これは、デバイス上のCC1およびCC1ラインを別々の5.1kOhm抵抗でプルダウンすることによって達成されます。ただし、この方法では、ソースがこの電力をサポートできるかどうかを確認することはできません。

図4 CC 5.1kプルダウン抵抗

USB Type-C Power Deliveryをデザインに取り入れるより良い方法は、USB Type-C PDコントローラICを使用することです。これらの集積回路は、交渉と電力供給プロセスを処理するように設計されています。さまざまなメーカーがこれらのICを生産しており、特定の要件に合わせて異なるパッケージと機能を提供しています。Octopartを使って、多くの異なるUSB PD ICオプションをチェックしてください！

図5 インフィニオン USB-C PD IC（出典：インフィニオン）

ここでは、USB PD 3.0 リビジョン2.0をサポートし、最大100ワットの電力供給（シンクのみ）を提供するUSB Type-C PDコントローラであるインフィニオン CYPD3177に焦点を当てます。このICは、USB PDプロトコル内で異なる電圧と電流要件を交渉するのが非常に簡単で、多くの設定や外部回路を必要としません。

さらに、CYPD3177には統合されたI²Cブロックが搭載されており、外部のホストコントローラを使用してデバイスを制御できます。これにより、基本的な電圧と電流の設定を超えて、USB PD設定をカスタマイズして微調整する機会が広がります。

回路図

幸いなことに、インフィニオンは非常に良いデータシートと、評価ボードのハードウェア設計リファレンスを提供しています。回路図を作成するために必要な情報は、これらの文書に含まれています。

以下に示すのは、簡略化された参照回路図です：

図6 参照回路図（出典：インフィニオン）

電源入力とUSB Type-Cコネクタ

USB Type-Cコネクタへの接続は、VBUSとGND、およびCC1/CC2ピンです。アプリケーションの要件に応じて、ESD保護（および必要に応じてフィルタリング）を追加してください。

ICはVBUS_INピン（ピン18）を介して電源を供給され、内部で必要な電圧を自己生成します。これには、外部回路の一部に使用できる低電流の+3.3V電源も含まれます。これは非常に便利で、ICに追加の外部電源は必要ありません。
通常どおり、参照回路図に示されているように、VCCD（ピン24）とVDDD（ピン23）にはいくつかのデカップリングキャパシタが必要です。

電源出力とFET

回路図の上部にある2セットのPFETトランジスタに気づかれたことでしょう。最上部のセットは、PD IC（VBUS_FET_EN、ピン3）によって制御され、負荷スイッチとして機能します。CCラインを介して交渉が完了すると、スイッチが閉じて、USB Type-Cコネクタに接続された電源からデバイスの関連サブシステムへ電力が流れるようになります。

下にあるPFETセットも同様のスイッチ機能を持っています。しかし、このスイッチは、交渉が失敗し、システムがVBUSラインの典型的な+5V（および低電流）にフォールバックする場合にのみ、PD IC（SAFE_PWR_EN、ピン4）によって閉じられます。

適切なトランジスタ（例えば、低損失、十分な電流処理能力、適切なゲートソースおよびドレインソース電圧制限）および外部回路（抵抗器、コンデンサ、ダイオード）は、データシートの推奨に従って選択する必要があります。具体的な部品選択については、以前にリンクされたリファレンスデザインに従うこともできます。

電圧および電流要件の設定

PD ICは、前述のI²Cインターフェース（HPI_SDAおよびHPI_SCL、ピン12および13）または、外部のストラッピング抵抗（ISNK_COARSE、ISNK_FINE、VBUS_MIN、およびVBUS_MAX、ピン5、6、1、および2）を介して制御できます。

ストラッピング抵抗オプションの場合、関連するピンでの電圧はICの起動時にサンプリングされ、それが交渉される電圧の範囲および必要な最大電流を決定します。これは下の表に示されています：

図7 ストラッピング抵抗オプション

その他

前述の回路は、このPD ICが機能するために必要な最小限のものです - 見ての通り、それほど多くはありません！しかし、特定のアプリケーションに応じて役立つ追加機能がいくつかあります。

例えば、I²Cピンはホストコントローラに接続してさらに設定を行うことができ、FLIPピン（ピン10）は接続されたUSB Type-Cケーブルの向きを示し、デバイスがデータ対応かどうかを設定するために使用でき、FAULTピン（ピン9）は、ソースが必要な電圧または電流を供給できない場合や過電圧イベントが検出された場合に示します。

PCB

この特定のPD ICのPCB設計は、ICがQFNスタイルのパッケージにもかかわらず、直接的です。以下の画像は、Altium Designerで単純な2層ボードに組み込まれたハードウェアを示しており、この設計には高周波成分がないためです（「最速」はI²Cインターフェースの立ち上がり/立ち下がり時間です）。

トップレイヤーは電力および信号ルーティング用に使用され、ボトムレイヤーはほぼ中断されないソリッドなグラウンドプレーンに専念しています。ここではフォールバック供給オプションは使用されていません。

図8 USB-C PD IC PCB (3D)

私たちが注意する必要があるのは、DC IRドロップを減らし、温度上昇を合理的なレベルに保つために、電力インターコネクトが十分にサイズされていることです。電力を運ぶトレース（またはポリゴンでさえ）をできるだけ短く合理的に保ち、必要なトレース幅をIPC-2221計算機を使用して計算することをお勧めします。したがって、PFETスイッチのような電力処理コンポーネントも、関連する他の電力コンポーネントに近い場所に配置されます。
同じコンポーネントの両側に大きな銅の不均衡がある場合は、組み立てプロセスを容易にするために熱リリーフを使用することを目指します。

さらに、デカップリングおよびバイパスコンデンサは、PD ICの関連するピンに近い場所に配置する必要があります。QFNパッケージICから離れた場所に「あまり重要でない」部品、例えばストラッピング抵抗を配置することができます。これにより、デバイスのファンアウトに十分なスペースが確保されます。

図9 USB Type-C PD PCBルーティング

結論

この記事では、独自のハードウェア設計でUSB Type-C電力供給を実装する基本を概説しました。専用のPD ICのおかげで、プロセスは非常に簡単で、追加の部品はほとんど必要ありませんでした。

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