Allion Labs
拡大しているUSB-Cの応用範囲
USB-Cの登場は、USBデバイスの普及率と機能性を大幅に向上させただけでなく、デバイス設計に対する要求も高めました。従来のプラグアンドプレイ特性やWindows OSが提供する汎用ドライバに加え、USB-Cは15Wの電源供給およびUSB Power Delivery (USB PD)技術をサポートし、USBデバイスの応用範囲をさらに拡大しました。しかし、これらの機能強化は、特に無線周波数干渉（RFI：Radio Frequency Interference）の管理において、いくつかの設計上の課題をもたらしました。
機能の拡張と普及による設計上の課題とは
USB-Cの普及は、主により高い電力供給能力とデータ転送速度を提供できることに起因しています。15Wの電力供給能力により、より多くのデバイスがUSB-Cを介して充電や電力供給を行うことができ、USB PD技術はデバイス間での双方向電力供給と電力交渉を可能にし、その柔軟性と汎用性をさらに向上させています。また、USB-Cの多機能インターフェースは、映像出力や音声伝送などの多様な機能をサポートし、より多くのデバイスでの応用を実現します。
一方、より多くの機能と高性能を備えることは、USB-Cの設計の複雑性を増加させます。特に他の無線周波数デバイスと一緒に動作する際、USB-Cデバイスは無線周波数干渉を効果的に管理する必要があります。これには、USBデバイス自体の干渉や、Wi-FiやBluetoothデバイスなど他の無線デバイスとの干渉を管理することが含まれます。
事例
USB-Cの登場前、USB速度による無線周波数デバイスへの干渉問題は十分に重視されていませんでした。しかし、USB速度が向上することによって、特に5Gbpsや10Gbpsの運用モードでは、この問題がより顕著になっています。この干渉は主に2.4GHzおよび5GHzの無線周波数デバイスに現れ、USBデバイスの性能低下や瞬間的な接続断絶を引き起こす可能性があります。同時に、無線周波数デバイスも干渉を受け、性能低下、信号範囲の縮小、不安定な接続などの影響が出ます。
お客様が抱える課題
アリオンが取り扱った事例として、以下のケースがあります。お客様の製品はUSB-Cインターフェースを備えたWi-FiおよびBluetooth機能を持つノートPCです。このモデルは5Gbpsと10GbpsのUSB速度をサポートしていますが、Wi-FiおよびBluetooth機能を有効にすると、ノートPCのUSB-Cインターフェースの性能が著しく低下し、USB 2.0（480Mbps）をわずかに上回る伝送速度にしか達しません。同時に、Wi-FiおよびBluetoothの接続も不安定になり、遅延や瞬間的な断絶が頻繁に発生します。お客様はアリオンと長期的な協力関係にあるため、問題解決のために当社の専門チームに相談を求めました。
当社の分析より、お客様が直面している主な問題と課題は以下の通りだと分析しました。
- 性能の低下：Wi-FiとBluetoothが有効な場合、USB-Cインターフェースの実際の伝送速度が大幅に低下し、5Gbpsまたは10GbpsからUSB 2.0に近い速度に落ち込むことがあります。これによりデータ転送効率が影響を受け、高帯域幅アプリケーションの性能も制限されます。
- 無線接続の不安定性：Wi-FiおよびBluetooth接続の不安定さはもう一つの深刻な問題です。USB-Cインターフェースが高速データ転送を行っている際、無線接続で遅延や瞬間的な断絶が頻繁に発生し、ユーザー体験に大きな影響を与えます。
- 設計と互換性の問題：設計者やエンジニアにとって、USB-Cインターフェースを設計・実装する際に無線周波数干渉を効果的に管理し減少させることは大きな課題です。特に、USB、Wi-Fi、Bluetoothなどの多機能を統合した複雑なシステムでは、互換性と安定性を確保することがさらに難しくなります。
- 対策とコスト：上述の問題に対処するためには、シールドやフィルタ設計の改善、より厳密なRFIテストなど、追加の設計やエンジニアリング措置が必要となる可能性があります。これらの措置は設計や生産コストを増加させ、製品開発の初期段階での効果的なテストと調整が求められます。
及ぼす影響
このお客様のUSB-Cインターフェースによる無線周波数信号への干渉問題に関して、アリオンは細かい分析により、いくつかの重要な要因が特定でき、対応する解決策を提案しました。
アリオンの解決策
製品の問題は性能や安定性に影響を及ぼすだけでなく、お客様のブランドイメージにも悪影響を及ぼす可能性があります。製品体験は市場での競争力に直接影響し、頻繁な接続問題や性能低下はユーザーの満足度を低下させ、返品率の上昇やユーザー離れを引き起こす原因となります。
問題分析
1. インピーダンスの不一致と信号スキュー
RFIテストの失敗の主要な原因には、トレース上の部品のインピーダンス不一致、PCBのスルーホールが多すぎること、およびトレースの長さが不均一であることが含まれます。これらの問題は信号スキューを引き起こし、共通モード信号を生成し、結果としてRFIテストの結果に影響を与えます。
2. USB-Cデバイスの全体的なシールド不足
USB-Cデバイスのシールド設計は、信号干渉を効果的に遮断できず、USBが動作している際に周囲の無線周波数デバイスに干渉を引き起こします。
3. USB-Cコネクタの信号漏れ
USB-Cコネクタのシールドは改善されていますが、USB信号は依然としてコネクタのピン間から漏れ出し、無線周波数信号に干渉する可能性があります。特に高速度モード（5Gbps以上）では、この現象がより顕著です。
4. Wi-FiおよびBluetoothアンテナの配線がPCB上のUSB配線に近すぎる
Wi-FiおよびBluetoothのアンテナ配線がPCB上のUSB配線に近すぎるため、相互干渉が発生し、無線信号の安定性に影響を与えています。
解決策
問題分析に基づき、以下の提案をお客様に提供しました。
1. シールド設計の改善
目的：USB-Cインターフェースのシールド効果を向上させ、無線周波数デバイスへの干渉を減少させる。
提案：
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- シールド材料の強化：高効率なシールド材料を使用してUSB-Cインターフェースを覆い、外部干渉を減少させる。
- シールド構造の改善：適切なシールド構造を設計し、PCBと良好に接触させ、USB-Cインターフェースの信号が漏れにくいようにする。
- 接地の強化：シールド構造の接地効果を高め、USB-Cの接地を強化し、PCB 接地とUSB-C 接地間のインピーダンス不一致を減少させて干渉を低減する。
2. フィルタリング措置の最適化
目的：設計にフィルタを追加し、高周波ノイズと干渉を抑制する。
提案：
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- EMIフィルタの追加：USB-Cコネクタおよび関連する信号線にEMIフィルタを取り付け、Tx±トレースにCMCC（共模インダクタ）を装備し、Tx±から発生する共模信号を抑制して高周波ノイズを減少させる。
- フィルタ回路の設計：不要な高周波信号をフィルタリングする統合フィルタ回路を設計し、無線周波数への干渉を低減する。
3. 設計の調整
目的：製品設計にUSB-Cと無線機能の協調動作を考慮し、設計の調整と最適化を行う。
提案：
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- アンテナの合理的な配置：Wi-FiとBluetoothのアンテナがUSBトレースから適切な距離を保つようにし、干渉を避ける。
- PCBレイアウトと設計の最適化：USBおよび無線モジュールの位置を合理的に計画し、高周波信号線と敏感な信号線が近すぎないようにする。PCBのスルーホールの数を減らし、信号スキューによる共模信号を防ぎ、トレースの長さを等しく設計して信号スキューを低減する。
- 隔離エリアの設計：USB-Cおよび無線モジュール用に隔離エリアを設計し、相互干渉を減少させる。
4. 厳格なRFIテスト
目的：電磁干渉を全面的にテストし、USB-Cインターフェースの高速伝送が無線機能に干渉しないことを確認する。
提案：
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- 標準テスト手順の遵守：USB-IFのUSB 3.2 RFIシステムレベルテスト手順に従ってテストを行う。
- コンプライアンスモードのテスト：USB-Cがコンプライアンスモードに入り、CP0パターンを発信し、干渉基準に合致することを確認する。
- 反復テストの実施：複数回のRFIテストと調整を行い、製品が実際の使用において信頼性を確保できるようにする。
お客様は上記の提案に基づいて修正を行った結果、製品はテストに合格し、正常に動作し、信号干渉の問題も解決されました。今回の改善は、製品の性能と安定性を向上させ、ユーザーの使用体験を改善し、USB-Cデバイスが高速伝送と無線機能との動作時に優れたパフォーマンスを確保することを可能にしました。
Time to Market with Quality（最短時間かつ高品質で市場投入）
～Faster、Easier、Better! 価値共創を実現～
USB-Cインターフェースによる無線周波数干渉の問題に直面した際、アリオンは「Faster、 Easier、Better」で解決策を提供します。具体的な利点は以下の通りです：
Faster ー より迅速に
迅速な診断と修正
当社のサービスは、USB-Cインターフェースおよび関連回路の問題を迅速に特定し分析し、タイムリーな改善提案を行います。これにより、問題の診断と解決プロセスが従来の方法よりも速くなり、干渉問題に迅速に対応でき、製品の市場投入までの時間を短縮します。
テストと検証を迅速に実施
効率的なRFIシステムレベルのテストプロセスを提供し、電磁干渉テストを迅速に完了し、反復的に行うことで、USB-Cインターフェースの高速伝送下での互換性を確保します。先進的なテスト設備と手法を用いて、設計改善の効果を迅速に検証できます。
完備した検証環境
アリオンはUSB-IF認定の試験機関であり、標準に準拠した検証環境やデバッグ支援設備に対応します。これには、シールドルームや、特定周波数のノイズを検出するスペクトラムアナライザー、ノイズ検出器、信号増幅器、関連するテストフィクスチャーなどが含まれます。
Easier ー よりスムーズに
包括的な解決策
シールド設計の最適化、フィルタリング措置の追加、RFIテスト、設計考慮を含むワンストップサービスを提供し、お客様が個別の問題を処理する必要をなくします。これにより、全体の改善プロセスが簡素化され、お客様は複雑な無線周波数干渉の課題に容易に対応できます。
専門的なサポートとコンサルティング
アリオンの専門チームは豊富な経験と専門知識を持ち、明確なアドバイスを提供し、お客様が改善措置を理解し実施できるよう支援します。これにより、ソリューションの実施プロセスが簡単になり、お客様の研究と操作コストが低減されます。
Better ー より正確に
性能と安定性の向上
シールド設計の改善、フィルタリング措置の最適化、厳格なRFIテストを通じて、当社のサービスはUSB-Cインターフェースの性能と無線機能の安定性を著しく向上させます。これにより、干渉が減少し、製品の全体的なユーザーエクスペリエンスが改善されます。
業界標準への適合
アリオンが提供する解決策は、最新のUSB仕様およびテスト手順に従い、製品が業界規範に適合することを確保します。これにより、お客様の製品は市場での競争力を維持し、より多くのユーザー認知を得ることができます。
継続的な改善
当社は継続的な改善とサポートを提供し、技術を常に更新してソリューションの先進性を保ちます。これにより、お客様の製品は長期にわたって高性能と高信頼性を維持し、将来の課題に対応できるようになります。
アリオンはUSB-IF認定の第三者認証試験機関として、高品質なテスト試験能力を提供するだけでなく、問題分析や解決策の提供などのコンサルタントサービスも行っています。これにより、お客様が課題に対応でき、製品目標を実現できるよう支援していきます。関連の検証テストサービスについてより詳しい情報をお求めの場合は、アリオンのお問い合わせフォームよりお気軽にご連絡ください。