USB拡張基板およびPCBAの大手メーカー

USBエキスパンダーは、ポート数が不足しているコンピューターにポート数とポートの種類を追加します。最近のノートパソコンには、USB-Cポートが1つか2つしか搭載されておらず、USB-A、HDMI、イーサネット、SDカードスロットなどは一切ありません。USBエキスパンダーは、1つのUSB接続を複数のダウンストリームポートに分割することでこの問題を解決し、多くの場合、USB-A、USB-C、HDMI、イーサネット、カードリーダーを1つのデバイスに統合しています。このガイドでは、USBエキスパンダーハードウェアの製品カテゴリ、主要コンポーネント、PCB設計上の考慮事項、および製造要件について説明します。

目次

1. USB拡張機器の実際の機能とは
2. USB-Aポート拡張モジュール：USBポートを追加する
3. USB-C多機能拡張モジュール：ポートプラス変換
4. 電源付きUSB拡張機器および充電ステーション
5. 産業用および組み込み用USB拡張モジュール
6. USB拡張基板の設計の基本
7. Highleap社におけるUSB拡張モジュールの製造

1. USB拡張機器の実際の機能

USB拡張機器は、ホストコンピュータのUSBポート1つを複数のポートに拡張するものです。最もシンプルなものは4ポートUSB-Aハブで、PCへのケーブル1本と周辺機器用のUSB-Aポート4つを備えています。最も高度なものはUSB-Cドッキングステーションで、1つのUSB-C接続からUSB-A、USB-C、HDMI、DisplayPort、ギガビットイーサネット、オーディオ、SDカードスロットを提供し、さらにUSB Power Deliveryでノートパソコンを充電することもできます。

USBエキスパンダーの販売のほぼすべては、以下の3つのシナリオによって支えられています。

ポートが足りない。USB -Cポートが2つしかないノートパソコンでは、マウス、キーボード、外付けドライブ、ウェブカメラ、携帯電話の充電器を同時に接続することはできない。USB拡張アダプターを使えば、不足しているポートを追加できる。これは最も一般的な消費者向け利用例であり、最も販売量の多い製品カテゴリーである。

ポートの種類が間違っている。USB -Cポートのみを搭載したノートパソコンでは、USB-A周辺機器、HDMIモニター、イーサネットケーブルを直接接続することはできません。複数のポートタイプに対応したUSB拡張アダプターを使用すれば、この問題を解決できます。このアダプターは、ポートマルチプライヤーとインターフェースコンバーターの両方の機能を1つのデバイスで実現します。

デスクトップでの利便性。机の下に置かれたデスクトップPCの背面パネルにあるUSBポートは、手が届きにくい場所にあります。机の上に置いたUSB拡張ユニットを1本のケーブルでPCに接続すれば、すべてのポートが手の届く範囲になります。これは、4ポートおよび7ポートのデスクトップハブにとって大きな市場セグメントです。

すべてのUSBエキスパンダーの中核となるのはUSBハブICです。このチップはUSBハブの仕様を実装し、すべてのダウンストリームポートの列挙、帯域幅割り当て、および電力分配を管理します。ポートの種類（HDMI、イーサネット、オーディオなど）が異なる場合は、同じ基板上にブリッジICを追加する必要があります。基板設計と部品選定によって、製品の性能、信頼性、およびコストが決まります。

2. USB-Aポート拡張モジュール：USBポートを追加する

最もシンプルで、最も多くのユーザーを収容できるUSB拡張機器のカテゴリー。ホストへの接続はUSBケーブル1本、周辺機器接続用のUSB-Aポートは複数搭載。プロトコル変換は不要で、純粋なUSBハブとして機能します。

バスパワー駆動の4ポートUSB 3.0ハブ。エントリーレベルの製品です。単一のハブIC（VIA VL817、Genesys Logic GL3520、または同等品）が4つのUSB-Aダウンストリームポートを駆動します。バスパワー駆動とは、ハブがホストUSBポートからすべての電力を供給されることを意味し、外部アダプタは不要です。トレードオフとして、使用可能な電流の合計は900mA（USB 3.0規格）に制限され、ハブのオーバーヘッドと4つのポートすべてで共有されます。これはマウス、キーボード、フラッシュドライブ、カードリーダーには十分ですが、外付けハードドライブや電話の充電には十分ではありません。PCB：2～4層、約60×30mm。量産時のBOM：$3～6。

7ポートおよび10ポートハブ。ビデオ編集者、オーディオプロデューサー、複数のテストデバイスを使用する開発者など、多くの周辺機器を接続するユーザー向け。内部アーキテクチャは、2つまたは3つの4ポートハブICをカスケード接続しています。バス電源ではこれほど多くのポートを供給できないため、常に自己給電（外部アダプタ）が必要です。ポートごとの電源スイッチとLEDインジケーターは、プレミアム製品（Anker、Sabrent、UGREEN）と一般的な代替品を区別する機能です。量産時の部品表価格：8～15ドル。

USB 2.0ハブとUSB 3.0ハブの比較。USB 2.0ハブ（共有帯域幅480Mbps）は、よりシンプルで安価なICと2層基板を使用します。USB 3.0ハブ（5Gbps）は、インピーダンス制御差動ペア、より厳密な基板レイアウト規則、および4層基板を必要とします。USB 3.0ハブは、下位互換性のあるUSB 2.0データパスも並行して維持します。ハブICが両方を同時に管理します。HIDデバイス（キーボード、マウス、バーコードスキャナ）のみを必要とするアプリケーションでは、USB 2.0ハブがコスト効率に優れた選択肢となります。

USB-C アップストリーム、USB-A ダウンストリーム。この製品は、「ドングル問題」を解決するために成長を続けています。つまり、ノートパソコンには USB-C ポートしかないのに、既存の周辺機器はすべて USB-A ポートを備えているという状況に対応します。このハブは USB-C でノートパソコンに接続し、従来のデバイス用に USB-A ポートを提供します。基板には、アップストリーム ポートに USB-C CC (コンフィギュレーション チャネル) ピン管理機能が追加されており、USB-A アップストリーム設計に比べて追加の回路が必要となります。

 3. USB-C多機能拡張モジュール：Ports Plus Conversion

これは、最も急速に成長しているUSB拡張機器のカテゴリーです。ノートパソコンから伸びる1本のUSB-Cケーブルで、USBデータポート、ビデオ出力、ネットワーク接続、そして場合によっては電源供給も可能になり、ポート拡張とインターフェース変換を1つのコンパクトなデバイスに統合しています。

5-in-1 および 7-in-1 USB-C アダプタ。人気の旅行およびオフィス向け製品。標準構成: USB-A × 2、HDMI (4K@30 Hz または 4K@60 Hz) × 1、SD カード リーダー × 1、ノートパソコン充電用の USB-C PD パススルー × 1。USB-C ホストからバスパワーで動作します。PCB には、データ ポート用の USB ハブ IC と、ビデオ出力用の DisplayPort-to-HDMI コンバータ IC (Parade PS176、Lontium LT8711、または同等品) が搭載されています。PCB: USB-C ピン ファンアウト用にHDI PCB構造の 4～6 層。基板サイズは約 70 × 30 mm。BOM: $8～25。

USB-C ドッキング ステーション。プレミアム セグメント。ノートパソコンへのすべてのケーブル接続を 1 本の USB-C ケーブルに置き換える半永久的なデスク アクセサリ。標準的な構成: 2～3 × USB-A、1 × USB-C データ、2 つの外部モニター用のデュアル HDMI または DisplayPort、ギガビット イーサネット、3.5 mm オーディオ、SD/microSD、および 60～100 W USB PD パススルー充電。PCB はマルチ チップ設計: USB ハブ IC、Alt Mode 付き USB-C コントローラ、PD コントローラ、DisplayPort MST ハブ (デュアル モニター用)、HDMI コンバータ、イーサネット ブリッジ (Realtek RTL8153)、およびオーディオ コーデック。PCB: 6～8 層 HDI、約 100 × 60 mm。BOM: $25～60。これは最も複雑なコンシューマー USB 製品カテゴリであり、最も高い小売マージンを誇ります。

多機能エキスパンダの主要IC：

イーサネットまたはUSB-C接続を使用し、インピーダンス制御と適切な同相除去比を必要とする製品の場合、PCBレイアウトは差動ペア配線に関する標準的な通信用PCB設計規則に従います。

4. 電源付きUSB拡張モジュールと充電ステーション

バスパワー駆動のUSB拡張モジュールは、ホストポートから供給される電力（USB 2.0で500mA、USB 3.0で900mA）によって制限されます。消費電力の大きい周辺機器（外付けドライブ、スマートフォン、タブレット、DACなど）には、外部電源を備えたセルフパワー駆動のUSB拡張モジュールが必要です。

電源付きデスクトップハブ。通常、12 V/2.5～5 A DCアダプタを備えた 4～7 個の USB-A ポートがあります。各ポートは、USB 規格の電流 (USB 2.0 ポートの場合は 500 mA、USB 3.0 ポートの場合は 900 mA) をフルに供給でき、選択されたポートでは BC 1.2 充電検出により、電話やタブレットを 1.5 A で充電できます。電源供給容量は、考えられるすべてのポート負荷とハブのオーバーヘッドの合計を超える必要があります。すべてのポートが 900 mA の 7 ポートハブでは、5 V (31.5 W) で少なくとも 6.3 A が必要であり、12 V 入力から内部降圧コンバータが必要です。PCB 電源プレーン設計は重要です。VBUS 分配トレースはすべてのポートの合計電流を伝送するため、それに応じてサイズを決定する必要があります。合計電流が 5 A を超えるハブでは、電源層に 2 オンスの銅を使用した厚銅 PCB が標準です。

充電ステーションとハブが一体化した製品。データポートと充電専用ポートを分離した設計です。データポートは通常通りハブICを介して接続されます。充電専用ポートはハブICを完全にバイパスし、専用の充電プロトコルコントローラIC（BC 1.2、Qualcomm QC 3.0/4.0、またはUSB PDに対応）を介して電源に直接接続されます。この設計により、データ帯域幅に影響を与えることなく、充電ポートあたり2.4A以上の電流を供給できます。システム全体の電流は5Vで10～15Aに達する可能性があり、そのためにはPCBの適切な熱管理と厚い銅層が必要となります。

USB-C PDパススルーハブ。ノートパソコンはUSB-Cケーブルでハブに接続されます。ハブにはUSB-C PD入力ポートがあり、ノートパソコンの充電器に接続されます。ハブは充電電力（通常60～100W）をノートパソコンにパススルーしながら、同時にデータポートも提供します。PDコントローラICは充電器と電圧と電流を調整し、電力経路を管理します。これは、最新のUSB-Cドッキングステーションすべてに採用されているアーキテクチャで、データ、ビデオ、電源を1本のケーブルで伝送します。

5. 産業用および組み込み用USB拡張モジュール

民生用USB拡張モジュールは、小型性、デザイン性、価格を最優先する。一方、産業用および組み込み用USB拡張モジュールは、信頼性、環境耐性、リモート管理機能を最優先する。

DINレール産業用ハブ。金属製筐体、制御盤設置用の35mm DINレール取り付け。4～16個のUSBポート。内部バックコンバータ、逆極性保護、サージ抑制機能を備えた広入力DC電源（9～48V）。拡張動作温度：-40℃～+85℃。高温での剥離を防ぐため、産業グレードの部品と高Tg PCBラミネート（Tg ≥ 170℃）が必要。EN 61000-6-2（産業用耐性）およびEN 61000-6-4（産業用放射）に準拠したEMC準拠。これは、消費者向けFCC Part 15よりも大幅に厳しい基準です。

ポートごとの電源制御。産業用USBエキスパンダは、多くの場合、ソフトウェア制御によるポートごとの電源オン/オフ、ポートごとの電流監視、およびポートごとの過電流保護機能を提供します。これには、ハブICに加えて、PCB上にマイクロコントローラ（STM32または同等のもの）が必要となり、電流検出ADCを読み取り、ホストへの制御インターフェースを提供します。用途：スマートフォンのテストおよびファームウェア書き込み用のデバイスファーム、キオスク管理、およびリモートUSBポートリセットが無人運用に不可欠なデジタルサイネージネットワーク。

組み込み型OEM USB拡張モジュール。小売製品ではなく、他の製品に組み込まれたPCBまたはICです。ほぼすべてのノートパソコンには、チップセットの限られたUSBポートを内部キーボードコントローラ、タッチパッド、ウェブカメラ、指紋リーダー、Bluetooth無線、外部コネクタに拡張するために、マザーボード上に少なくとも1つの組み込み型USBハブICが搭載されています。モニターに内蔵されたUSBハブ（ディスプレイ背面に2～4ポート）やキオスク端末/POS端末ハブも、大量生産されている組み込みアプリケーションです。組み込み型USB拡張モジュールのOEM回路基板製造は、最も生産量の多いPCBアセンブリカテゴリの1つです。

サージ保護および環境保護。産業環境におけるケーブル配線は、電気ノイズや過渡電圧にさらされます。すべての外部ポートにサージ保護（TVSダイオード、ガス放電管）を施すことが必須です。食品工場、船舶、屋外筐体などの高湿度環境では、組み立て済みプリント基板にコンフォーマルコーティングを施すことで、湿気や汚染から保護します。

6. USB拡張モジュールのPCB設計の基本

すべてのUSB拡張モジュールは、製品の種類に関わらず、USBインターフェース側で共通のPCB設計要件を満たしています。

差動ペアインピーダンス。USB 2.0では90Ω±10%の差動インピーダンスが必要であり、USB 3.0/3.2では90Ω±5%が必要です。これは、多層基板の内層における配線幅と間隔を制御することで実現され、製造時にTDR（時間領域反射率測定）サンプルを用いて検証されます。USB 3.0以上の高速製品には、インピーダンス制御された基板製造が必須です。

ESD保護。すべての外部USBコネクタにTVSダイオードアレイを搭載し、コネクタパッドから1.5mm以内に配置します。これは必須事項です。保護なしで最初のESDイベントが発生すると、ハブICまたはブリッジICが破壊されます。ESD保護コンポーネントはデータレートに対応した定格である必要があります。容量の大きい低速TVSダイオードを使用すると、USB 3.0信号の完全性が低下します。

電力分配。VBUS（5V）配線は、下流ポート全体の総電流に合わせてサイズを決定する必要があります。7ポートUSB 3.0ハブは、すべてのポートが負荷状態になると、合計で6Aを超える電流を消費する可能性があります。配線幅計算ツール（IPC-2152）を使用すると、指定された電流と温度上昇に必要な銅幅を算出できます。高電流設計では、配線ではなく、2オンス銅層上の内部電源プレーンを使用することをお勧めします。

層構造。基本的なUSB 2.0ハブは2層基板で動作します。USB 3.0ハブはインピーダンス制御のために最低4層（信号-グランド-電源-信号）が必要です。HDMI、イーサネット、PDを備えたUSB-C多機能拡張器は、高密度なUSB-Cコネクタファンアウトのために、通常6～8層のHDI構造（ブラインドビア/埋め込みビア）が必要です。

熱管理。1Wを超える発熱量を持つハブICおよびブリッジICには、ICパッケージの下に内部グランドプレーンに接続するサーマルビアが必要です。適切な放熱が行われないと、IC接合部の温度が定格を超え、スロットリングや早期故障の原因となります。マルチチップドッキングステーションのPCBでは、放熱専用の複数のサーマルゾーンと銅箔パターンが必要になる場合があります。

EMC設計。USB差動ペアにはコモンモードチョーク、電源入力にはフェライトビーズ、そしてすべての信号層には連続したグランドプレーンを採用。産業用または医療用認証を目指す製品は、一般消費者向け設計では合格できないような厳格な耐性試験に合格する必要があります。

7. HighleapにおけるUSB拡張モジュールの製造

Highleap Electronicsは、プリント基板の製造・組立工場です。当社は、シンプルな4ポートUSB-Aハブから複雑なUSB-Cドッキングステーションまで、消費者向けブランド、OEM顧客、システムインテグレーター、プライベートブランド販売業者向けにUSB拡張基板を製造しています。

PCB製造。2層から12層の多層構造。TDRクーポンで検証済みの制御インピーダンス（90Ω±5%）。USB-C高密度レイアウト向けにブラインドビア／埋め込みビアによるHDI機能。充電ハブやドッキングステーションの電力分配用に厚銅内層を採用。高温動作に対応する産業グレード製品向けに高Tgラミネートを採用。

基板実装。フルSMTに加え、スルーホールコネクタ（USB-A、USB-C、RJ-45、HDMI、SDカードスロット）には選択式ウェーブはんだ付けを実施。ハブICおよびブリッジICには、X線検査付きBGA実装を実施。正規代理店からの部品調達は、偽造部品がサプライチェーンのリスクとして認識されているUSBコントローラICにとって特に重要。ターンキー方式の基板実装では、すべての部品調達と組み立てを1回の注文で完了します。

ボックスビルド。小売販売に適したUSB拡張製品向けに、基板、筐体、ケーブル、付属品、印刷マニュアル、小売用パッケージなど、完全な電子ボックスビルドアセンブリを提供します。完成品としてお客様の倉庫または流通チャネルへ出荷いたします。プライベートブランドパッケージ、多言語ドキュメント、国別電源アダプターもご用意可能です。

機能テスト。組み立てられた基板の100%に対して機能テストを実施します。各ポートでのUSB列挙、ポートごとのスループット検証、ポートごとの電流供給、過電流保護トリップポイント、PDネゴシエーション（USB-C製品の場合）、およびビデオ出力検証（ドッキングステーションの場合）を行います。製品ごとに専用のテスト治具を設計します。

USB拡張基板の見積もりを依頼する際は、製品タイプ、ポート構成、USBバージョン、電源要件、環境仕様、および目標生産量を明記してください。

関連：USBハブ基板設計・USBポート拡張製品・USBコンバータ設計・USB-Cコネクタ統合