USB について | 株式会社ハッピーハート

ハッカーが USB-C コネクタの仕組みについて考えなければならないケースは 2 つあります。 1 つ目は USB-C コネクタが物理的に壊れた場合で、2 つ目は独自のボードにコネクタを取り付ける必要がある場合です。両方を見てみましょう。

携帯電話やラップトップのソケットに障害が発生した場合はどうなりますか? まず、ほこりやゴミが原因である可能性があります。 USB-C コネクタを掃除するために購入できる綿棒があります。おそらく、イソプロピルアルコールやその他の洗浄に適した液体を追加すると、「十分に良好な」状態に到達することができます。熱風や鋭利なはんだごての先端、およびフラックスを使用して、コネクタのピンをリフローすることもできます。機械的な故障に関しては、これにより、たとえ短期間であっても、問題が解決される傾向があります。

コネクタが故障する原因は何でしょうか? まあ、ピンの 1 つがプラスチックの中で折れるか、汚れすぎて接触できない可能性があります。 USB-C 充電およびデータソケットを備え、USB 2.0 を備えているが高速ペアを備えていないデバイスを考えてみましょう。つまり、残念なことに、世に出ているほとんどの携帯電話がこれに当てはまります。 USB-A - USB-C ケーブルを使用して USB-A 充電器に接続してみてください。ゆっくりでも充電されますか？これで、VBUS ピンは正常になります。

Type-C ケーブルを使用して Type-C 充電器に接続すると、CC ピンが関与するようになります。どちらの向きでも充電できますか? そうすれば、両方の CC ピンに問題はありません。充電は一方向のみで行われますか? CC ピンの 1 つを破壊する必要があります。次に、データ転送とレガシー充電に使用される USB 2.0 ピンを確認できます。 USB-A - USB-C ケーブルを使用して電話機をコンピュータに接続します。デバイスとして列挙されますか? 両方の方向で列挙されますか? そうでない場合は、特に D- ピンと D+ ピン、場合によっては両方のセットをクリーニングすることをお勧めします。

また、デバイスを分解し、USB-C プラグを取り出し、ソケットの導通を測定できる場合にも役立ちます。コネクタが破損しすぎて、特定のピンをどれだけリフローしても導通がなくなったらどうなるでしょうか? まあ、かなり人気のあるデバイスを所有している場合を除いて、これは悪いニュースかもしれません。

文字通り、何千もの異なる USB-C コネクタの種類が世の中に存在していても、私は驚かないでしょう。そして、太陽の下にあるすべての携帯電話やラップトップは、わずかに異なる、機械的に互換性のないコネクタを使用しているようです。高価なデバイスの USB-C コネクタが故障した場合、非常に特殊な交換部品を探す必要があるかもしれません。また、これらは常にスルーホール部品と SMD 部品の組み合わせであるため、はんだ除去や交換が面倒な場合もあります。 SMD パッドがコネクタの下にしっかりと固定されてアクセスできない場合があります。また、エッジマウントコネクタの場合、SMD パッドがボードの両側にある場合もあります。多くの場合、ピンのすぐ隣またはピンの上にプラスチックがあります。このため、コネクタを取り外すために熱風やはんだごてを使用するのは面倒です。

良い面としては、すべてのメーカーがそのように半ば意図的に敵対的であるわけではありません。新しい Macbook には、簡単に取り外して交換できる別個のパーツに USB-C ソケットが付いています。多くの携帯電話には、携帯電話の底部にある別の小さな PCB に USB-C ポートが搭載されています。どちらの場合も、Aliexpress で別のボードを購入し、交換することができます。現代の携帯電話を分解するのはウサギの巣窟ですが、少なくともある程度の配慮があることはありがたいことだと思います。

MicroUSB と同様に、USB-C コネクタには小さなラッチが付いています。それらはプラグの内側の側面にあるため、目に見えません。とはいえ、それらは存在しないよりは存在することが多いです。もちろん、MicroUSB と同様に、これらのラッチも磨耗します。ありがたいことに、別のケーブルを購入するだけで済みます。それがお気に入りのケーブルである場合、または独自のケーブルを構築したい場合はどうすればよいでしょうか?

小さなブレークアウト PCB を備えた USB-C プラグを購入して、ワイヤーをはんだ付けすることもできます。このようなプラグがあると、カスタムケーブルを構築したり、新しいケーブルを作成したりできます。私は個人的に LCSC から購入しています。どこで検索すればよいか知っていれば、驚くほど豊富な品揃えがあるからです。プルアップ抵抗を備えたプラグがあり、USB-A - USB-C ケーブルの構築に最適ですが、USB-C - USB-C アプリケーションの場合は必ず抵抗を取り外した方がよいでしょう。両方の CC パッドを露出させるプラグがあり、独自の USB-C 拡張機能などを構築したい場合に非常に便利です。また、PSU から 5 A を取り出し、カスタムケーブルを構築する必要がある場合に備えて、e マーカーがプログラムされたプラグもあります。

今では、私たちは独自のものを作る領域にしっかりと入っています。それを適切に行うことについて話しましょう。ここでも、今のところは機械的な側面に限定します。

まず、USB-C ソケットの優れた点を強調しましょう。その圧倒的多数はスルーホール取り付けピンを備えています。これは、購入できる最も安価なコネクタが表面実装のみであったため、ボードからコネクタを簡単に剥がすことができた、MicroUSB や MiniUSB のレガシーからの歓迎すべき脱却です。完全に表面実装された USB-C ソケットを見つけるのは非常に困難ですが、これにより機械的により頑丈になります。

ハッカーにとって、これは PCB とアセンブリを少し高価にする傾向があります。ほとんどの USB-C コネクタのフットプリントはスロットを使用するため、工場に PCB スロットを搭載できる必要があり、アセンブリ付きの PCB を注文する場合は、2 つまたは 4 つの余分なスロットが必要になります。手動はんだ付けが必要なスルーホールピン – これには追加料金がかかります。とはいえ、状況が良くなっているのは間違いなく、時間の経過とともに価格は下がっていくでしょう。

USB-C コネクタ、ソケット、プラグには同様に定格電流があります。すべてのソケットの定格は 5 A であるはずですが、中国製のソケットの定格が 3 A のものをいくつか見たことがあります。データシートを確認してください。もちろん、ボードに 5 A コネクタを取り付ける場合は、ボードが要求できる場合にのみ 5 A を通過することに注意してください。その場合、アクティブな USB-PD 通信 (通常のデュアル 5.1K プルダウン構成) が必要になります。それには十分ではありません。利点として、特に 5 A コネクタを使用することを目的としていない場合は、電流定格を確認する必要はありません。

このようなさまざまなソケットが存在するのは、USB-C ソケットをボードの上に水平、垂直、または垂直だが横を向いて取り付ける、または数十の可能な高さでボードとインラインで取り付けるなど、USB-C ソケットを取り付ける方法が無数にあるためです。防水加工がされておらず、製造品質も異なります。高速ペアを備えたコネクタが必要な場合は、高速ペアを公開する方法も無数にあります。 SMD パッドを使用するものや、高速化のためにスルーホールピンを使用するものもありますが、それはほんの表面をなぞっただけです。

すべてのコネクタがあなたにとって良いわけではありません。そのため、コネクタの種類は多少減ります。まず、CC ピンが露出していないコネクタが表示されます。これは実際には USB-A - USB-C ケーブルでのみ機能します。このようなコネクタは、3 ドルで販売されている「赤ちゃんの初めてのはんだ付けキット」パッケージに含まれていることが予想されます。ただし、実際には使用しないでください。また、ピン用の SMD パッドが独自のパッケージの下に完全に隠れることを期待するコネクタも数多くあります。はんだペーストのステンシルスキルが十分でない場合は、そのようなコネクタのはんだ付けの問題をデバッグしたくないでしょう。

USB 2.0 と CC、そしてもちろん VBUS と GND に限定してみましょう。最初の記事で強調した、実証済みのコネクタの愛好家による選択は、16 ピン SMD コネクタです。これは、開発ボード、安価な USB-C 搭載製品、およびハッカーが作成した多くの製品で見られます。これは、USB-C 仕様でもある程度定義されているという点で特別です。 KiCad のフットプリントは USB_C_Receptacle_HRO_TYPE-C-31-M-12 としてリストされており、対応するシンボルは USB_C_Receptacle_USB2.0 と呼ばれていますが、HRO がこのコネクタを初めて製造したわけではなく、これにはピンとフットプリントの互換性のあるコネクタが多数あります。具体的に一つ。さらに、先ほど述べたように、SBU ピンを入手すると、それを UART などに使用することもできます。または、フットプリントから SBU パッドを削除して、はんだ付け中にブリッジできるピンを 2 つ少なくすることもできます。写真は説明します。

見栄えの良い代替コネクタを見つけたら、そのデータシートのピン番号と使用している PCB フットプリントのピン番号を確認してください。データシート内のフットプリントのピン番号が一般的に使用されている番号と異なっていたり、データシートがわかりにくくハッカーが間違いを犯したりして、製造上の問題が見つかった後にデバッグに何時間もかかるケースがありました。データシートを参照しているときに、そのようなコネクタを取り付けるために推奨される PCB の厚さがあるかどうかを確認してください。このようなコネクタは基板の上部に取り付けられますが、PCB の厚さによって、シェルピンを適切にはんだ付けするのがどれだけ容易になるかが決まります。とはいえ、これは要件というよりは推奨事項です。

高速レーンにアクセスするコネクタを使用したい場合はどうすればよいでしょうか? 残念ながら、私はあなたにお勧めできる特定の高速コネクタを持っていませんが、II は確かに、それを見つける方法についていくつかのガイドラインを提供することができます。

自分の設計に合わせて高速対応のソケットを選択したい場合は、はんだ付けが簡単そうな既存の検証済みのオープンソース設計を見つけるか、おそらく、次のようなコネクタをいくつか見つけることをお勧めします。適切なものを探し、サンプルを注文し、すべてのテストフットプリントを備えたボードを設計し、次にいくつかを組み立ててみて、どの程度うまくいくかを確認します。

見つけた優れたコネクタに適合しそうなフットプリントをオンラインで見つけた場合は、フットプリント名がそのままコネクタの部品番号である場合でも、寸法を注意深く確認してから、もう一度確認してください。 2 か月前、私は USB-C ソケット上のすべての高速レーンを公開するブレークアウトを作成し、信号が少なくとも差動ペアのように見えるようにすることにしました。 2 層ボードとして注文したため、インピーダンスが異常だったため、USB3 や DisplayPort の実際の日常的な使用に適切とは言えませんが、それでも通常の 90 度のブレークアウトよりは優れています。「高速」トレースを曲げます。

KiCad で、はんだ付けが簡単そうなフットプリントを見つけました。パッケージの下の列にはスルーホールピンが、パッケージの外側の列には表面実装ではんだごてでアクセスできるパッドが含まれています。 LCSC で設置面積に合いそうなコネクタをいくつか見つけました。ブレークアウトにコネクタをはんだ付けする日が来たとき、前面のシールドピンが設置面積の位置から数ミリメートルずれていることが判明しました。また、メッキを追加した後、スルーホールピン用の PCB 穴がほんの少しきつすぎることが判明しました。次のバージョンでは、確実に穴が若干大きくなる予定です。

もしかしたら、スルーホール高速内列ピンを備えた優れたエッジマウントコネクタが見つかるかもしれません。 PCB レイアウトを行うとき、最も内側の 2 つの信号 (1 つの CC と 1 つの SBU) を取り出すのは不可能であることに気づくかもしれません。回避策の 1 つは、フットプリントが USB-C プラグ用の場合、これら 2 つのピンを直接省略することです。SBU は使用せず、VCONN 用の 2 番目のピンも必要ありません。簡単に言うと、未使用の CC ピンが再利用されます。 eマーカーの電源ピンとして。

あるいは、問題を解決できるかもしれません。 1 つ目の方法は、多層基板を使用し、スルーホールピンの環状リングが存在しない内層を通してピンを配線することです。 2 番目の方法は、PCB エッジの近くでコネクタの周囲を通過できる程度に小さいトラックを使用することです。あるいは 3 番目の方法として、上部 (はんだ付け不可) 層の問題のピンの周囲にある 2 つのスルーホールパッドの幅を、間にトラックが収まるまでこっそり減らすこともできます。

私が述べたことのほとんどは、ソケットとプラグに同様に当てはまります。もちろん、プラグ固有の問題がいくつかあります。たとえば、ミッドマウントプラグがあります。これは、各 USB-C ピン側が PCB の異なる側にあり、ピンの完全なセットを露出するプラグであり、半田付けがかなり良好です。一方、そのようなプラグが工場でどのように組み立てられているのかはわかりません。私が分解した製品ではリフローされており、手作業ではんだ付けされていないようですが、両側にSMDパッドがあり、その上にコネクタが置かれているためです。、特に大規模な製造環境では、このような基板をどのようにステンシルするのかわかりません。何か案は？

もう 1 つの独特な考慮事項は、プラグを接続できるのは 1 組の USB 2.0 データピンのみであることです。つまり、1 組の USB 2.0 ピンは切断されたままでなければなりません。一部のはんだ付け可能なプラグには、USB 2.0 ピンの 2 番目のペアが物理的に欠落している場合もあります。特に、ほぼすべての USB-C ソケット PCB 設計がこれらのピンを並列に配置していることを考えると、なぜこれができないのかよくわかりませんが、それでも単に並列接続になるだけです。

USB-C コネクタの仕組みについて知っておきたいことは以上です。もちろん、何か見逃した場合は、コメントで話し合ってください。