ポート接続回路、ポート接続制御方法、電子機器

本発明の実施形態は、ポート接続回路、ポート接続制御方式、電子機器に関するものである。

入出力インターフェースには、RS−232C、USB(Univeral Serial Bus)など、シリアルインターフェースを用いたものがある。このUSBインターフェース(単にUSBと称されることが多い)を用いて、デバイス機器をホスト機器に接続する場合、この接続状態を検出することでポート制御を行うポート制御装置がある。

近年USB3.1の規格策定が完了し、あらたにType−C(タイプC)と呼ばれるUSBインターフェースが規格化された。このType−CのUSBインターフェースは、従来のUSB3.0までのインターフェースと異なり、レセプタクル(受け口側)にプラグ(差し込み側)を挿入する場合、プラグの上下(或いは裏表)逆にしても挿入可能である。このType−Cコネクタは、いわゆるリバーシブルタイプであり、最大伝送速度が10Gビット/秒のUSB信号のやりとりのほかに、DisplayPortやHDIM(High−Definition Multimedia Interface)、MHL(Mobile High−Definition Link)といった規格に対応したビデオ信号を伝送することが可能であり、また最大100Wの電力が供給可能というパワーデリバリー機能を搭載、という特徴を持つ。USB Type−Cのケーブルは、両端に同じプラグを持ち、今までの大半のUSBケーブルのようにホスト側デバイス側で物理的にコネクタのType−A、Bを区別しなくなる一方、USBインターフェースはホスト-デバイス間の論理関係を維持している。このためこのホストとデバイスの関係の判定は、Type−Cケーブルに実装されているコンフィギュレーションチャネル(Configuration Channel)を介して、接続時の接続検出と信号方向の検出を行うことで、実行される。なお上記レセプタクル(受け口側)にプラグ(差し込み側)は、その呼び名が限定されるものではなく、それぞれの接続具或いは、第1、第2のコネクタと称してもよい。

上記以外にも、例えばパワーデリバリー機能においては、パワーデリバリープロトコルメッセージがコンフィギュレーションチャネル(Configuration Channel)を介してやり取りされることで、実際の使用する電圧と電流が決定される。

このように、コンフィギュレーションチャネルは、USB Type−Cの1つの端子を介して、デバイスの接続検出とその後の各種機能のデバイスとのネゴシエーションのための通信プロトコルとに用いられている。

特開2009−289124号公報

上記のように、USB Type−Cの1つの端子を介してやり取りされるコンフィギュレーションチャネルは、デバイスの接続検出とその後の各種機能のデバイスとの通信プロトコルとの両方に用いられる。これらの接続検出と通信のための2つの機能に対応する方法として、USB Type−Cの専用ICを前記接続端子に接続して使用する方法とマイコンを前記接続端子に接続して使用する方法との2通りの方法が考えられる。専用ICを使用する場合は追加コストが必要となる課題があり、またマイコンを使用する方法は、上記の2種類の機能を同じ接続端子で実現するのは難しく、2つの接続端子を用意して用途に応じて切り替える必要がある、という課題があった。

そこで本発明の目的は、接続検出と通信プロトコルの機能を簡易に切り替えるポート接続回路、ポート接続制御方法、電子機器を提供することにある。

この実施形態では、 入力と出力が選択的に切り替えられる第1ポートと、スイッチ制御信号を出力する第2ポートと、イベント検出を行う第3ポートとを備えるコントローラと、外部コネクタの所定の出力端子が接続、或いは非接続され、前記第3ポートに接続された所定の入力端子と、前記所定の入力端子と前記第1ポートとの間に接続されたスイッチと、前記スイッチを前記所定の入力端子の電圧値に応じてオン又はオフするスイッチ制御回路と、を備える。

図1は実施形態に係るUSB Type−Cレセプタクルインターフェースを示す図である。

図2は実施形態に係るUSB Type−Cプラグインターフェースを示す図である。

図3は一実施形態の構成例を示す図である。

図4Aは一実施形態が適用されたシステムの外観を示す図である。

図4B一実施形態が適用されたシステムの他の外観を示す図である。

図5は一実施形態が適用されたシステムにおいて、USBデバイスが接続された場合の、コントローラの処理の流れの一例を示す図である。

図6は一実施形態が適用されたシステムにおいて、USBデバイスが抜き取られた場合のコントローラの処理の流れの一例を示す図である。

以下図面を参照して実施形態を説明する。

図1はUSB Type−Cのレセプタクルインターフェースを、図2はUSB Type−Cのプラグインターフェースを示したものである。USB Type−Cのケーブルの特徴の1つに、コネクタの上下(或いは裏表)がリバーシブルな点がある。このコネクタのレセプタクルとプラグの関係は、上下(或いは裏表)どちらの向きでも接続可能なように、図1に示すレセプタクルインターフェースは、中心点を基準に上段下段の各12端子が点対称になるような信号割り当てになっている。図2に示すプラグインターフェースも、同様に中心点を基準に上段下段が点対称になるような信号割り当てになっているが、一部は信号線の割り当てがなかったりして非対称な割り当てになっているものがある。

図1の各端子の意味は、次の通りである。VBusは、USBケーブルバス電力端子である。GNDは、グランド端子である。Dp1、Dp2、Dn1、Dn2は、USB2.0のシリアルデータインターフェース端子である。TX1p、TX1n、RX1p、RX1n、TX2p、TX2n、RX2p、RX2nは、USB3.1のスーパースピードシリアルデータインターフェース端子である。CC1、CC2は、接続検出、信号の方向の検出、チャネルコンフィギュレーションの検出、を行うコンフィギュレーションチャネル(Configuration Channel)端子である。SBU1、SBU2は、サイドバンド信号端子であり、ホスト側とデバイス側で合意するデータなら、任意に伝送できるように設定することが可能である。

図2の各端子の意味は、次の通りである。Dp、Dnは、USB2.0のシリアルデータインターフェース端子である。CCは、接続検出、信号の方向の検出、チャネルコンフィギュレーションの検出、を行うコンフィギュレーションチャネル(Configuration Channel)端子である。VCONNは、Type−Cケーブルプラグ電力である。その他の端子は、図1のレセプタクルインターフェースの場合と同じである。

USB Type−Cケーブルを、例えばPC側のUSBインターフェースに挿入すると、USB Type−CケーブルのプラグインターフェースのCC端子が、PC側のUSBインターフェースであるレセプタクルインターフェースのCC1端子或いはCC2端子のいずれかと接合される。

図3はこの発明に関わる一実施形態である。図3の右側の300は、USBデバイスであり、Type−Cのコネクタ310を有する。したがって、このコネクタ310は、コンフィギュレーションチャネルのための接続端子311を有する。なおコネクタ310は、上記したように、その他に各種の電源用、制御信号用などの接続端子を複数備えるがここでは省略している。

一方、200は電子機器であり、例えばパーソナルコンピュータ、テレビジョン装置、携帯端末(タブレット、スマートフォーン等を含む)、その他の機器である。この電子機器200も、コネクタ310と接続可能な、Type−Cのコネクタ210を有する。このコネクタ210は、先のコンフィギュレーションチャネルのための接続端子311に対応し、当該接続端子311と接続する接続端子211を備える。コネクタ210は、ここでは接続端子211を示しているが、前記コネクタ310に設けられている複数の接続端子に対応した接続端子(図示せず)を備える。

このコネクタ310は、接続回路230を介して、コントローラ250に接続されている。コントローラ250は、例えば半導体集積回路であり、内部に論理判定回路、ファームウエアなどを内蔵する。コントローラ250は、エンベデッドコントローラ(埋設コントローラ、或いは組み込みコントローラ)と称される場合もある。コントローラ250は、イベント検出を兼用するデジタル入力ポート251を備え、このデジタル入力ポート251には、接続回路230の端子241が接続される。またコントローラ250は、スイッチ制御ポート252を備え、このスイッチ制御ポート252には、接続回路230の端子242が接続される。さらにコントローラ250は、レベル検出を兼用するアナログ入力ポート253を備え、このアナログ入力ポート253には、接続回路230の端子243が接続される。

接続回路230は、アナログスイッチ(以下単にスイッチと記す)237、積分回路238、スイッチ制御回路232を備える。積分回路238は、抵抗239、コンデンサ240により構成されている。スイッチ制御回路232は、ヒステリシス回路233、オア回路234を備える。接続回路230の入力端子231は、コネクタ210の接続端子211に接続される。入力端子231は、先の端子241を介してデジタル入力ポート251に接続される。また入力端子231は、スイッチ237の一方の端子に接続されるとともに、スイッチ制御回路232内のヒステリシス回路233に接続される。ヒステリシス回路233の出力端子は、オア回路234の一方の入力端子に接続されている。このオア回路234の他方の入力端子は、先の端子242を介してスイッチ制御ポート252に接続される。そしてオア回路234の出力端子は、スイッチ237の制御端子に接続される。これにより、スイッチ237は、オア回路234の出力に基づいて、オン又はオフ制御される。スイッチ237の他方の端子は、積分回路238を介した後、端子243を介してアナログ入力ポート253に接続されている。

また上記した接続回路230の入力端子231には、電源ライン235が、抵抗236を介して接続され、これにより、入力端子231のアナログ基準電位が設定される。

次に、USBデバイス300が、コネクタ310を介して電子機器200のコネクタ210に接続されたときの動作を説明する。

(a−1)例えば、USBデバイスの抵抗が5.1kオームで、電源電圧が5V、抵抗236が56kオームであるとする。またヒステリシス回路233は、2.2V以上の入力に対してハイレベルの出力を、0.6V以下の入力に対してローレベルの出力をするものとする。コネクタ310がコネクタ210に接続されたとすると、電源電圧5Vが抵抗56kオームと5.1kオームにより分圧され、この分圧電圧が接続端子211の基準電圧となる。 (a−2)このとき、接続端子211の電圧は、0.5V以下となる。 (a−3)すると、ヒステリシス回路233の出力は、ローレベルとなる。 (a−4)また、デジタル入力ポート251の入力を判定する判定ロジック(イベント検出機能)は、電圧が0.5V以下になったことを検出すると、デバイスが接続されたと判定する。 (a−5)デジタル入力ポート251のポート入力を判定する入力判定ロジック(イベント検出機能)が、電圧が0.5V以下であることを検出すると、アナログ入力ポート253の入出力制御ロジックは、アナログ入力ポート253の状態を出力状態から入力状態に切り替える。 (a−6)さらにまた、デジタル入力ポート251のポート入力を判定する入力判定ロジック(イベント検出機能)が、電圧が0.5V以下であることを検出すると、スイッチ制御ポート252の制御ロジックは、スイッチ制御出力をハイレベルからローレベルに切り替える。 (a−7)この結果、スイッチ制御回路232において、オア回路234の2入力は、いずれもローレベル(負の論理)となり、出力もローレベルとなる。これにより初めてスイッチ237がオン状態になる。この動作により、アナログ入力ポート253が出力状態のまま外部に接続されるのが防止されている。

(a−8)上記のようにオア回路234の出力に応じて、スイッチ237は、オフ状態からオン状態になる。 (a−9)これにより、アナログ入力ポート253は、USBデバイス300から入力端子231を介して、入力する電圧レベルを検出することができる。電圧レベルの検出は、レベル変化を伴うデジタル信号、或いはデジタル制御信号などの場合も含む。

次に、USBデバイス300のコネクタ310が電子機器200のコネクタ210から抜き取られた場合の動作を説明する。

(b−1)この場合は、入力端子231の電圧が、0.5Vより大きい値に変化する。 (b−2)入力端子231の電圧変化に基づいて、ヒステリシス回路233の出力がハイレベルになる。 (b−3)ヒステリシス回路233の出力により、スイッチ237はオン状態からオフ状態になる。 (b−4)またデジタル入力ポート251のポート入力を判定する入力判定ロジック(イベント検出機能)は、電圧が0.5Vより大きい値であることを検出すると、デバイスが抜き取られたと判定する。 (b−5)デジタル入力ポート251のポート入力を判定する入力判定ロジック(イベント検出機能)が、電圧が0.5Vより大きい値になったことを検出すると、スイッチ制御ポート252は、スイッチ制御出力をローレベルからハイレベルに切り替える。(スイッチ237をオフするための論理を出力する)。 (b−6)さらにまた、デジタル入力ポート251のポート入力を判定する入力判定ロジック(イベント検出機能)が、電圧が0.5Vより大きい値になったことを検出すると、アナログ入力ポート253の入出力制御ロジックは、アナログ入力ポート253の状態を入力状態から出力状態に切り替える。 (b−7)USBデバイス300のコネクタ310が電子機器200のコネクタ210から抜き取られた瞬間であってスイッチ237がオンから完全オフに移行するまでに、5Vの電源電圧が、アナログ入力ポート253方向へ印加される恐れがある。しかし、ここでは、積分回路238が設けられているので、5Vの電源電圧が、アナログ入力ポート253へ直接印加されることはなく、積分回路238の出力が上昇する前に、スイッチ237がオフし、安全が保たれる。

コネクタ210に何らかのデバイスが接続されたとしても、そのインターフェースが、Type−Cに属しないデバイスであることもある。このデバイスは、端子311を有しない。この時の動作を説明する。 (c−1)この場合は、入力端子231のレベルが、外部コネクタが接続される前の状態を維持する、つまり入力端子231のレベルが変化しない。 (c−2)またデジタル入力ポート251のイベント検出機能は、入力端子231のレベルの変化がないためイベントを検出しない。したがって、デジタル入力ポート251のポート入力を判定する入力判定ロジック(イベント検出機能)は、デバイスが接続された、と判定しない。 (c−3)デジタル入力ポート251のポート入力を判定する入力判定ロジック(イベント検出機能)が、電圧が0.5Vより大きい値のままなので、アナログ入力ポート253の入出力制御ロジックは、アナログ入力ポート253の状態を遷移させない(出力状態を維持する)。 (c−4)さらにまた、デジタル入力ポート251のポート入力を判定する入力判定ロジック(イベント検出機能)が、電圧が0.5Vより大きい値のままなので、スイッチ制御ポート252の制御ロジックは、スイッチ制御出力を遷移させない(ハイレベルのままを維持する)。このため、スイッチ237は、オフ状態を維持する。

以上説明したように、上記の実施形態によると、既存のコントローラ250を使用したとしても、新たに専用の集積回路を設計して構成することなく、安価に実現できる。

なお上記の説明において、コネクタ210にUSBデバイス300のコネクタ310が接続されるものとして説明した。しかし、本発明はこのような使用形態に限定されるものではない。コネクタ210にType−Cのコネクタを備えたUSBケーブルが接続されてもよいことは勿論である。

図4Aは、一実施形態が適用されたシステムの外観を示す図である。電子機器200の側面に接続回路と接続されたコネクタが設けられている。このコネクタに対して機器外部からUSBデバイス300が接続されている。USBデバイス300は、メモリなどを含む電子機器の場合があり得る。

図4Bは、一実施形態が適用されたシステム他の外観を示す図である。電子機器200の側面に接続回路と接続されたコネクタが設けられている。このコネクタに対して機器外部からUSBデバイス300が接続されている。ここでUSBデバイス300はUSBケーブルである場合があり得る。USBケーブルの他方のコネクタは、例えば他の電子機器に接続される。上記の電子機器は、パーソナルコンピュータ、タブレットコンピュータ、電子カメラ、テレビジョン受信機、携帯端末、メモリなどがあり得る。

図5は、USBデバイス300が電子機器200に接続された場合に、アナログ入力ポート253が行う電圧レベル検出の開始を判定する処理の一例を示す図である。

コネクタ310がコネクタ210に接続されたとすると、電源電圧5Vが抵抗56kオームと5.1kオームにより分圧され、接続端子211の電圧は0.5V以下となる。これにより、端子241の電圧も0.5V以下のとなる。

アナログ入力ポート253で電圧レベルの検出を行っていない場合、コントローラ250のデジタル入力ポート251は、端子241の電圧の変化を定期的に監視し、入力判定ロジックにより端子241の電圧が0.5V以下になったかどうかの判定を行う(S1)。判定の結果、電圧が0.5V以下の場合、その判定結果によりアナログ入力ポート253は、内部で管理する状態を出力状態から入力状態に遷移させる(S2)。また、スイッチ制御ポート252は、スイッチ237に対する出力をローレベルにする(S3)。このようにコントローラ250は、端子241の電圧の検出結果に基づいて、アナログ入力ポート253とスイッチ制御ポート252の動作を制御する。これによりコントローラは、内部の状態をレベル検出動作モードに移行させる(S4)。また、アナログ入力ポート253は、入力する電圧レベルを検出することができる。

一方、デジタル入力ポート251が入力判定ロジックにより端子241の電圧が0.5Vより大きい値であると判定(S1)した場合は、コントローラ250はアナログ入力ポート253とスイッチ制御ポート252に対して何も動作をすることなく、処理を終了させる。

図6は、USBデバイス300が電子機器200から抜き取られた場合に、アナログ入力ポート253が電圧レベル検出の終了を判定する処理の流れの一例を示す図である。

コネクタ310がコネクタ210から抜かれると、接続端子211の電圧は0.5Vより大きな値となる。これにより、端子241の電圧も0.5Vより大きな値となる。

アナログ入力ポート253で電圧レベルの検出を行っている場合、コントローラ250のデジタル入力ポート251は、端子241の電圧の変化を定期的に監視し、入力判定ロジックにより端子241の電圧が0.5V以下になったかどうかの判定を行う(S11)。判定の結果、電圧が0.5Vより大きい値の場合、その判定結果によりアナログ入力ポート253は、内部で管理する状態を入力状態から出力状態に遷移させる(S12)。また、スイッチ制御ポート252は、スイッチ237に対する出力をハイレベルにする(S13)。このようにコントローラ250は、端子241の電圧の検出結果に基づいて、アナログ入力ポート253とスイッチ制御ポート252の動作を制御する。これによりコントローラは、内部の状態をアイドルモードに移行させる(S14)。また、アナログ入力ポート253は、入力する電圧レベルの検出を停止することができる。

一方、デジタル入力ポート251が入力判定ロジックにより端子241の電圧が0.5V以下であると判定(S11)した場合は、コントローラ250はアナログ入力ポート253とスイッチ制御ポート252に対して何も動作をすることなく、処理を終了させる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

200・・・電子機器、210・・・コネクタ、230・・・接続回路、231・・・入力端子、232・・・スイッチ制御回路、233・・ヒステリシス回路、234・・・オア回路、237・・・スイッチ、238・・・積分回路、250・・・コントローラ、300・・・USBデバイス。