技術解説 USBコネクターとUSBケーブルについて知っておくべきこと

この投稿では
1.USBの物理的フォームファクター
2.USB通信の標準バージョン
3.USB給電規格
4.USBアプリケーションは拡大し続けています
5.概要

USBという用語は、ユニバーサル・シリアル・バス（Universal Serial Bus）の略です。 簡単に説明すると、「バス」とは、システム内のコンポーネント間でデータを転送するために使用する回路配置または通信システムです。 この場合、「シリアル」バスは、1本のワイヤで一度に1ビットずつデータを送信します。

ただし、USBコネクターは、コンポーネント間のデータだけでなく、電力も伝送でき、プリンターやキーボードから携帯電話やフラッシュドライブに至るまで、さまざまなハードウェアデバイスに対応できます。

USBプロトコルの開発前は、コンピュータはシリアルポートとパラレルポートの両方を使用してデータ転送を行い、個々のデバイスにはさまざまな専用プラグ、 コネクター、ケーブル、拡張カード、そして必要なドライバーが採用されていました。 データ転送速度は遅く、パラレルポートは毎秒約100キロバイト（kB）、シリアルポートは毎秒115～450キロビット（kb）でした。

1996年初頭にデビューしたUSB 1.0の仕様は、企業のコンソーシアムによる多くの作業の後、最初は低速で毎秒1.5メガビット（Mbit）、フルスピードで毎秒12 Mbitでデータを転送できました。 その後転送速度は、2000年にはUSB 2.0のリリースにより、毎秒480 Mbitになり、2008年のUSB 3.0のリリースにより毎秒4.8ギガビット（Gbps）とさらに向上しました。 USB 3.2は、3.1 および 3.0規格に取って代わられ、最大20 Gbpsの速度に対応し、現在最も一般的に利用可能となっています。 最新バージョンは USB4で、2019年にリリースされ、最大 Gbps 40の転送速度で、徐々に一般的な用途に導入されています。

USB 規格は、700社以上の企業がメンバーとなっている、USB Implementers Forum（USB-IF）によって長年にわたって指導され、認定されています。 USB-IFの成果は、長年にわたる、より高速で迅速な仕様で規格の一連のリリースにつながりました。 小型で安価なインターフェースを介した速度とビデオ解像度の向上により、USBコネクターは今日世界中で使用されている主要な信号転送技術となっています。

USBの物理的フォームファクター

USBコネクターには、さまざまな用途で使用できるタイプや物理的フォームファクタがあります。これには、以下が含まれます。

• Type A – これは、USB規格Aとも呼ばれ、元の最も一般的なUSBコネクターです。 ダウンストリーム周辺機器をホスト機器に接続するために使用します。フラットな長方形の形状は摩擦によって固定されるため、着脱が容易です。 いずれかのピンに 5 V DC電源を供給し、あらゆる種類のUSBプロトコルと互換性があります。
• Type B – Type Bコネクターは、USBコンピュータ周辺機器と最も頻繁に関連付けられます。 このコネクターは正方形で、上部にわずかに傾斜した角があります。Type Aと同様に、摩擦によって所定の位置に保持されます。 2台のホストコンピュータを相互に接続するリスクなしに、周辺機器を接続できるように開発されました。 このコネクタータイプは使用中ですが、マイクロバージョンの方が普及しています。
• Type C – これは最新の USBインターフェースで、いずれかの側面を上にして挿入でき、 ケーブルの方単を使用して任意のUSB-Cデバイスに接続できるリバーシブルの対称設計です。 USB 3.2（以前の3.1と3.0）、2.0、1.1信号を伝送でき、最大20 Gbps でデータを伝送でき、最大100 Wの給電をどちらの方向（USB PD 3.1で240Wに拡張）からもおこなえ、 DisplayPortビデオと4チャンネルオーディオをサポートします。Type CはUSB4、そしてThunderboltもサポートしています。 Thunderboltは最大40Gbpsのデータ転送速度で周辺機器をコンピュータに接続できるハードウェアインターフェイスです。
• Micro & Mini A&B – この名前が示すように、これらはType AとType Bのコネクターの小型バージョンで、 480 Mbpsの高速転送速度とOn-The-Go（OTG）機能を維持しながら、物理的に小さい接続を提供します。 これにより、モバイルデバイスやその他の周辺機器をUSBホストとして動作させることができます。
• Type AB – このコネクターにより、Micro AとMicro Bの両方のプラグをこの単一のレセプタクルタイプに接続でき、柔軟性が向上します。

USBコネクタータイプとピン配列

USBコネクターの個々のタイプは、関連するオスまたはメスのコネクターとのみ嵌合できます。相互互換性はありません。 しかし、コネクター自体は標準ですが、使用するエンクロージャは、アプリケーションによって大幅に変更できます。 これにより、IP等級（侵入保護）のUSBコネクターが開発され、過酷な環境条件で使用されるデバイスへの固体または液体の侵入に対する堅牢な保護が可能になりました。

ほとんどのUSBケーブルアセンブリには、方端に1つのタイプのコネクターがあり、もう方端には別のタイプのコネクターがあります。 Type AからType BまたはType Cは非常に一般的です。Type Cは交換可能な設計となっているため、ケーブルの両端がType Cとなっていることが一般的で、Type Cポートの採用が進むにつれて用途が増えています。 USB 3.0 Micro Bプラグは、データ転送速度を高めるためによりワイドな接続となっており、USB 2.0 Micro Bソケットでは使用できません。 ただし、USB 3.0 Micro Bポートを持つデバイスは、旧式のUSB 2.0 Micro Bタイプのオスプラグと嵌合できます。

Micro BとUSB 3.0 Micro Bコネクターの混乱を明確にする

USB通信の標準バージョン

前述のように、USB通信規格は、使用するデバイス間のデータ転送速度、ハンドシェイクプロトコル、電源仕様を定義します。 この規格は長年にわたって大幅に改善されてきており、USB 1.0の毎秒1.5 MbitからUSB 3.2の最大20Gbps、そして現在ではUSB4の最大40Gbpsに至るまでの幅広いデータ転送速度があります。 バージョンアップするたびに、相互接続のハードウェアが新しくなっていきます。

USB通信規格は、遡及的な命名変更が頻繁に行われることで混乱を招いていることが知られていますが、現在USB 3.2はType AとType Cの両方のコネクターと互換性がある、 最も入手しやすいUSB規格ですが、これは5 Gbpsから20 Gbpsまでとさまざまあります。 20 Gbps規格は「SuperSpeed USB 20Gbps」または「USB 3.2 Gen 2x2」とも呼ばれ、ここで10 Gbps規格は「SuperSpeed USB 10 Gbps」または「USB 3.2 Gen 2」とも呼ばれています。 最後に、5Gbps規格は現在、「SuperSpeed USB 5 Gbps」または「USB 3.2 Gen 1」として知られています。 ただし、古い命名規則が使用されているのはインターネット全体で見られます。 そのため、デバイスやコネクタの定格速度を手動で確認し、それを基準として使用するのが最も簡単かもしれません。 詳細については、当社ブログ記事、『1.0からUSB4までのUSB規格の歴史』をご覧ください。

ただし、多くの導入事例がそうであるように、同じシステムで異なるバージョンが使われることもよくあります。 新しいUSBバージョンと古いバージョンを使用しているデバイスが通信する場合、デフォルトでは古いバージョンと速度になります。 これはソフトウェアの機能ですが、規格との互換性はハードウェアとも関連します。

すべてのType CコネクターはUSB 3.2に対応していますが、一部のType Cコネクターは旧規格に準拠しています。 Type AとType Bはケーブルによって異なります。コネクターの色は、通常、分かりやすいように異なるバージョンを示しています。 物理的なコネクター規格と通信規格との関係性を見ると、混乱が生じることがよくあります。 当社のブログ記事、USB Type CとUSB 3.2 – Clarifying the Connectionでは、これについて詳しく説明しています。

元の規格では、ホストが必要でした。通常、Type Aコネクターはホスト機器を示し、Type Bは周辺機器に接続されていました。 USB OTG（On The GO）では、これは必要ありません。 USB OTGは、USBデバイス（スマートフォンなど）をホストとして動作させ、他のUSBデバイスを接続することを可能にする仕様です。 基本的に、USBデバイスはコンピュータを必要とせず、他のデバイスからデータを読み取ることができます。

USB給電規格

USB規格は、デバイス間の相互接続を簡素化するためのデータインターフェースプロトコルとして始まり、ある程度の電力も供給していました。 その後、限られた電力を供給するデータインタフェースから、データインタフェースを含む重要な電力導管へと成熟してきました。 多数のデバイスが、接続を介して充電したり、電力を受け取ることが可能になりました。

給電を標準化し、USB Power Delivery (USB PD) 規格の形式で機能セットを増やすために、総力を挙げて取り組んでいます。 Type Cを使用すると、USB PDは最大20Vまでの可変電圧と最大5Aまでの電流を提供し、全体として最大100Wまでの電力転送に制限されます。 2021年にリリースされたUSB PD 3.1規格は、その後、その電力転送機能を240 Wまで拡張しました。 さらに、電源を供給する方向も、ホストと周辺機器のどちらか一方には固定されなくなりました。 複数の周辺機器にわたって電源管理を最適化することもできます。

USB PDでは、これらの高い評価を達成するためにデジタルデバイスのハンドシェイクが必要です。 必要なチップが使用できず、ハンドシェイクが発生しない場合、システムは5 V/1 A標準に戻ります。 これはUSBのバージョンやタイプには依存しませんが、USB PD規格に対応したタイプが必要です。 例えば、バージョン2.0以降をサポートするType AからType CケーブルではPDを使用できます。

USB給電仕様の進展

PDは、データ転送を行わず、USBを純粋に電源として利用する機器でも使えます。 ただし、電源ネゴシエーションのために別の通信ラインを必要とするため、多くの非USBフォーマットよりも設計や製造が若干複雑になります。 とはいえ、PDが多くの機器に充電の標準を作り、充電器を簡素化し、統合するという事実によってこの複雑さを上回るメリットを得ることができます。 これにより、e-wasteが減り、異なるデバイスに対して複数のケーブルが必要となる等の不便さが軽減されます。 詳細については、Power-Only USB Type Cコネクターの紹介ブログ記事をご覧ください。

USBアプリケーションは拡大し続けています

小型のフォームファクタ、設計と使いやすさ、高速通信速度、さらに電力転送の向上により、USBコネクターは、ますます増え続け幅広いアプリケーションに使用可能です。 これらの用途を簡単に紹介すると以下の通りです。

• デスクトップコンピュータとノートパソコン
• ディスクドライブ
• プリンター
• スキャナー
• ジョイスティックとコントローラー
• ビデオカメラ
• 携帯電話、スマートテレビ
• ゲーム機

データ転送は要件ではないため、USBコネクターは充電式懐中電灯、充電パッド、その他多くのポータブル消費者デバイスなどのデバイスに給電するためだけに使用できます。

USBの潜在的なアプリケーションは成長し続けています

最新のUSB規格が持つ堅牢性や速度によって、その用途はさらに拡大を続けています。 帯域幅、信頼性、給電機能を備えた現在、データ取得と監視、マシンビジョン、プロセス制御などの産業アプリケーションでも使用できます。 基本的に、240W以下の電力を使用するアプリケーションは、USB電力の候補となり得るでしょう。

概要

USBは、非常に柔軟性のある標準規格であり、電力とともにデータ転送が必要な領域でほぼ普遍的に採用されるものになりつつあります。 USBコネクターとケーブルアセンブリーは、使いやすさとインテリジェントな技術仕様を兼ね備えているため、製品またはシステム設計者は、 ケーブル配線のニーズが少なく、雑然とした作業が減り、設置面積を削減し、後方互換性を確保し、全体的なコストを削減できます。 将来に向けた設計でも、レガシー製品とのインターフェースであっても、USBの機能を理解することで、設計者は地球上のほぼすべての人が使用できる製品を作成できます。