ユニバーサル シリアル バス (USB) Type-C コネクタは、一般的な消費者向けデバイス間の接続を指定および簡素化します。インフォテインメントなどの高速で安全性に依存しない機能に USB-C を使用することは、自動車システムの設計者にも利益をもたらします。ただし、民生用アプリケーション向けにカスタマイズされた従来の USB-C コネクタは、自動車環境で必要な堅牢性、信頼性、安全性を備えていません。
このペーパーでは、USB-C と、USB-C を車両設計に統合する際に設計者が直面する課題について簡単に説明し、その後、設計者がこれらの課題を克服するために使用できる HiUSB-C コネクタについて説明します。
USBの進化
オリジナルの基本的なタイプ A 形式の USB から、USB コネクタは、民生用、テスト機器、さらには産業用アプリケーションにおいて、パラレル ポートや RS-232 などの多くの従来のバスに取って代わりました。これには、使いやすさ、低コスト、小型、迅速かつ簡単な抜き差し、電源およびデジタル信号処理機能、およびプラグ アンド プレイによる広範なベンダー サポートによるメリットがあります。強化された USB-C バージョンでは、物理的寸法が小さくなり、速度が向上し、電力処理が向上し、プラスとマイナスのプラグ接続が可能になります。
USB-C コネクタの大成功により、USB-C コネクタはすべての新しいスマートフォンや小型消費者向けデバイスで実装する必要がある統一規格となり、その結果、非常に高い売上と強力なデバイスの相互運用性が実現しました。標準 USB-C のサイズは 8.4 mm x 2.6 mm で、24 ピンを備えています。コネクタ本体とピンに対称デザイン(プラス・マイナスブラインドプラグ)を採用しており、不凍キーが不要です。このコネクタは、DisplayPort Alt モードと、オーディオおよびビデオ データ転送用の HDMI アダプタおよびブリッジをサポートする拡張機能を備えた、データ転送と充電の同時実行にも使用できます。
これらの機能は、自動車エンターテイメント システムの設計者にとって大きなメリットとなります。この点で、USB-C は他の接続方法と比べてコスト、利便性、重量を削減できると同時に、既存の広範な USB リソース エコシステムを構築できる可能性があります。
USB-C は車載アプリケーションで幅広い将来性を持っていますが、設計者は、激しい振動や温度変動、高い電磁干渉 (EMI)、適合しない USB ケーブルやコネクタによって引き起こされる潜在的な危険な障害など、多くの課題に対処する必要があります。
USB-C を自動車の世界に導入
適切なコネクタのニーズを満たすために、ハイファーズは自動車環境の固有の要件を満たす AU1 シリーズ USB-C コネクタを提供します。このシリーズのコネクタは、内部機器と外部機器間の相互接続の橋渡しをし、USB 3.2 Gen2、DisplayPort 1.4、HDMI などの規格をサポートします。このデバイス ファミリは既存の HiCX シリーズ上に構築されており、HiCX シリーズとシームレスに動作します (図 1)。
ヒロセ自動車グレード USB-C コネクタ
図 1: AU1 シリーズ車両クラス USB-C コネクタ (下) は、コンポーネントとして CX シリーズ (上) を使用しています。画像出典：こんにちは）
この革新的な組み合わせにより、1) 最大 20 Gb/s の安定した高速データ伝送速度 (USB 3.2 Gen 2×2 規格に準拠)、2) 240 W の電力レベル (USB 電力伝送 3.1 拡張電力範囲規格に準拠: 48 V、5 A)、3) 車載インフォテインメント システム全体をカバーする信頼性の高い接続が実現されます。そのため、高度な機能をサポートし、シームレスなシステム統合を実現します。
AU1 シリーズ コネクタはしっかりと差し込まれ、衝撃や熱に強く、過酷な環境でも信頼性の高い性能を維持できます。このようにして、このシリーズでは、この一般的なコネクタ タイプを、元の設計よりも厳しい環境でも使用できるようになります。
この一連のコネクタ アセンブリは、ストレートおよび直角の取り付けをサポートしており (図 2)、設計者は厳しく制限された自動車環境での配線を柔軟に行うことができます。
ヒロセの AU1 シリーズ コネクタは直線および長方形のレイアウトをサポート (クリックして拡大)
図 2: AU1 シリーズ コネクタは直線および長方形のレイアウトをサポートします。デモ ボードではコネクタの使用方法が示されています。画像出典：こんにちは）
安全、正確、正しい接続を保証します
これらのコネクタには、コネクタ位置保証 (CPA) デバイスとデッドロック キーという 2 つの独自の設計があります。 CPACPA メカニズムにより、信頼性の高い正確な挿入が保証されます。指で操作するラッチ構造（図3）により、確実な機械的ペアリングとクリック音を実現し、ラッチ動作の成功を確認できます。
ヒロセの CPA メカニズムは、嵌合コネクタが完全に嵌合することを保証します
図 3: CPA メカニズムにより、嵌合コネクタが完全に嵌合した後、所定の位置にロックおよび固定され、手動で外すまで嵌合状態が維持されます。画像出典：こんにちは）
動作中、嵌合が完了するまで CPA 機構を動かすことはできません。プラグが完全に挿入されると、レセプタクルが CPA 機構をロック位置まで押し下げ、プラグが意図したとおりに挿入されたことを示します。マッチングを解除するには、CPA 機構を引いて補助ロックを解除します。外すとカチッという音が聞こえます。
軸方向または半径方向のずれがある場合、2 つの嵌合部品はカチッと音を立てず、誤った嵌合をユーザーに警告します。これらのコネクタの定格嵌合寿命は 10,000 回の嵌合サイクルを超え、自動車環境での予想耐用年数をはるかに超えています。
凍結防止キーは、間違ったケーブルがターゲット インターフェイスに接続されるのを防ぐのに役立ちます。前述したように、民生用 USB-C ケーブルの便利な機能の 1 つは、リバーシブルであることです。これは、デッドロック キーや物理的な識別手段がないことも意味します。つまり、どのプラグがどのソケットに最終的に接続されているかを識別する必要がありません。 「ケーブルを掴むだけ」でプラグを抜き差しする民生用アプリケーションでは、デッドロック キーの位置がないことが利点となります。ただし、自動車用アプリケーションは「プラグイン」される可能性が高く、高密度の自動車用ケーブル ハーネスを取り付ける際には配線エラーが発生するリスクがあります。このような場合、このような不一致により、リンクが動作不能になったり、周辺機器が損傷したり、システムやユーザーに潜在的な危険が生じたりするため、フラストレーションを感じる可能性があります。
誤配線を防止するために、AU1 シリーズ車両クラス USB-C コネクタは、標準 (黒) と「A キー」(グレー/プライマリ) の 2 つの物理的干渉キー位置コードをサポートしています (図 4)。これら 2 つのキー位置レイアウトは、2 つの隣接するケーブルとコネクタの場合に嵌合エラーが発生しないようにするのに役立ちます。異なる色も、これら 2 つのキー位置コードを識別するのに役立ちます。
メカニカル不凍液キーのレイアウト
図 4: ユーザーは 2 つのメカニカル キー レイアウトのいずれかを使用して、ケーブル接続エラーを最小限に抑えることができます。標準キー付きのコネクタは黒色、「A キー」付きのコネクタは灰色 (オス)/プライマリ (メス) です。画像出典：こんにちは）
標準性能と電気性能
これらのハイコネクタの環境適合性と電気的性能は、特定の数値によって定義されています。環境適合性に関しては、これらのコネクタは -40 °C ～ +105 °C の温度範囲で動作します。また、防水および防塵機能も備えています。コネクタのタイプに応じて、IP54、IP68、または IP69K の保護を実現できます。 IP69Kは3つの防塵・防水規格の中で最も厳しい規格です。
これらのコネクタは、信頼性に関して USCAR-2 および USCAR-30 規格を満たしています。 USCAR-2 は、自動車グレードの電気コネクタ システムの性能規格であり、道路車両の低電圧アプリケーションにおける端子、コネクタ、コンポーネントの要件を概説しています。 USCAR-30 は、車載 USB 接続システムの性能仕様であり、民生用周辺機器と車載 USB ホスト間の USB コネクタ、ケーブル、および電気接続に関するさまざまな要件をカバーしています。
電気的には、電源ピン (A4/A9/B4/B9 (VBUS)) の定格は USB-C 仕様で 1.25 A、非電源ピンの定格は 20 VAC および VDC で 0.25 A です。初期接触抵抗の最大値は40mΩです。一連の標準ストレス テストの後、接触抵抗はわずかに増加しますが、50 m Ω を超えることはありません。