USB PDとは？—特徴・仕様・ネゴシエーション・注意点を一挙にチェック

記事のポイント

USB PDとは最大100Wまで電力供給できる規格！
キモは電圧（V）を可変できるということ！
仕様がややこしいのでカオスでもある！

USB Type-Cって、ほんとややこしい。

USB Type-Cには『USB PD』という、最大100Wまで電力供給が可能なプロトコルがあります。そんなUSB PDの特徴・仕様・注意点を調べてみました。結果、頭がぱーんってなりました。

うーむ…。
USB PDって便利だーってオチなはずが……。

それって、どういうことなん！？

のっけから雲行きが怪しいですわね…。

Contents

『USB PD』とは？
USB PDの特徴
USB PDの仕様
USB PDの注意点
- 【注意点1】5A出力は対応ケーブル必須
- 【注意点2】充電器・ケーブル・デバイスの3点を確認
補足
- USB PD対応充電器のチェック項目
- USB-Cケーブルのチェック項目
備考
- USB PD 2.0 Ver. 1.1以前のパワープロファイル
まとめ「USB PDはカオスな落とし穴だらけ」
おまけ

『USB PD』とは？

『USB PD（USB Power Delivery）』とは、USB端子からの給電・充電を最大100Wまで可能にした、USB-IFが定めた国際標準規格のことです。

USB PDは最大100W電力供給を可能とした

従来のUSB-IF準拠の充電規格では、実用面からいうと約15W前後が最大出力の限界値でした。それを打ち破ったのが、今回のUSB PDという規格。

従来のUSB充電規格（USB BC等）では、ノートPCやタブレットPCを充電するには限界がありました。しかし、このUSB PDの登場で最大100Wまで電力供給が可能になった。なので、大きな電力を必要とするノートPCもバッチリ充電できるようになったのです。

USBでPCを充電できるって、一昔前だと考えられないよねー！

USBと充電の関係性のまとめ表

USB充電規格一覧表入り乱れる充電規格。 USBの充電規格について一覧表を作りました。規格によって仕様や供給可能な電力がかなり異なっています。特に『U...

簡単なUSB PDの電力供給計算式。

あとで詳しく解説しますが、
5V・9V・12V・15V・20V × 3A・5A = ?W
というのが簡単なUSB PD（USB PD 3.0では12Vがない）の計算式です。

従来の充電規格と違う“キモ”と言える部分なのが、USB PDは電圧（V）が可変ということ。これにより幅広い電力供給が可能になっているというわけです。いわゆる昇圧回路が搭載されているってこと。

USB PDの概要はこんな感じだねー！
とりあえずはここまで分かっておけばOKだから、お次はUSB PDの特徴についてみていくぞー！

USB PDの特徴

USB PDの3大特徴

【特徴1】最大100Wの電力供給
【特徴2】スワップで電力供給を数珠つなぎ
【特徴3】電力供給が双方向で可能

そーんな素敵なUSB PDですが、特徴を知ればもっと好きになるはず！
…ということで、USB PDの特徴を順番に紹介してきます。

【特徴1】最大100Wの電力供給

1つめの特徴であり、USB PD最大の特徴なのが、最大100Wまでの電力供給を可能にしたこと。

冒頭でも話したように、従来のUSB-IF準拠の充電規格というのは電圧（V）が固定でした。なので、電力供給量を増やすためには、ただただ電流（A）を増やす必要がありました。でもでも…これって、やっぱり限界（約15Wが限界値）がある。しかも、これだとPCは電圧不足で充電が厳しい。

そこで電圧（V）を4段階（12Vを含めると5段階）で可変できるようにしたのが、この『USB PD』というわけ。
これにより、大きな電力供給が可能となり、最大100WまでUSB Type-C端子から供給できるようになったのです。

そのおかげで、最近のノートPCはUSB PDで充電できるものが大半になったんだよー！

まさに技術革新の賜物ですわね。

【特徴2】スワップで電力供給を数珠つなぎ

2つめの特徴が、USB PDで貰った電力を数珠つなぎにして、さらなるUSB PD対応のデバイスへと電力供給することができるということ。

条件としては、

受電側（電力供給される側）：USB PD（USB Type-C端子）
給電側（電力供給する側）：USB PD（USB Type-C端子）

という2つのUSB PD対応ポートがデバイスに必要です。

なので、理論上は最初に供給された電力が、デバイスに必要な電力供給量を下回るまでバケツリレー的にスワップできます。
しかし、現実的には2つのUSB PD対応ポートを持っているデバイスは、USB PD対応のドッキングステーションか、USB Type-C対応モニターぐらいなので、利用できるシーンは限られているとも言えます。

ベタな使い方だと、ドッキングステーションとかモニターだねー！
USB Type-C対応のモニターは増えつつあるから、今後はモニター自体がドッキングステーションになっていく感じかもだっ！

【特徴3】電力供給が双方向で可能

3つめの特徴が、従来のUSBによる電力供給とは異なり、電力供給の方向が双方向になったということ。

簡単に言ってしまうと、USB PD対応のノートPCがあったとすると、これが電力をもらう側にも、電力をあげる側にもなるということ。これを『デュアルロール』といいます。

区分	説明	例
Dual-Role Power	電力をあげる・もらうの両方OK	ノートPC スマホタブレットモバイルバッテリー
Source only	電力をあげるだけ	USB充電器
Sink only	電力をもらうだけ	USBメモリーポータブルSSD
Default Source	基本は電力をあげるだけ接続機器で変化	USBハブドッキングステーション
Default Sink	基本は電力をもらうだけ接続機器で変化	-

USB Type-Cとデュアルロール。

ちなみに、USB Type-Cとデュアルロールの関係性は上表のような感じ。

USB PD搭載のモバイルバッテリーを想像してみると、電力をあげたり（機器の充電）・電力をもらったり（自身を充電）してることが分かります。なので、『Dual-Role Powerデュアルロールパワー』ということ。
USBメモリーが電力供給をしない…というかできるわけないので、いくらUSB Type-Cとはいっても『Source only』となります。

USB Type-Cとひとくちに言っても、USB PDに対応しているとは限らないってことですなー。うんうん。

そういえば、こういう仕組みをユーザーは知らない間に使えてるってことやんね？

自動で判断して電力供給をしてくれるからね〜♪

USB PDの仕様

ここからは…知りたい人だけ読むスタイル！

USB PDの仕様を個人的に詳しく知りたいということもあり、USB.orgを中心としたサイトを参考に（参考サイトは記事一番下に記載）して詳しく調べてみました。

ねこちゃんの検証目的用なんだけどねー。

ピンアサイン

USB PDの仕組みや仕様を知っていく上で、まず見ておきたいのが『ピンアサイン』なはず。つまり、端子の中がどうなっているかということ。

ピンアサインには、メス側である『レセプタクル』とオス側である『プラグ』が存在します。まぁ…当たり前ですよね。それらをそれぞれ見ていくことにしてみます。

レセプタクル側

レセプタクル側のUSB Type-Cのピンアサイン。

こちらは、USB 3.x Type-Cのレセプタクル側。
せっかくなので、今回のUSB PDと関係ないものも含めて、すべて表示しています。

プラグ側

プラグ側のUSB Type-Cのピンアサイン。

こちらは、USB 3.x Type-Cのプラグ側。
こちらに関しては、USB PDの通信に必要なピンのみ色をつけています。

ここから分かるように、USB PDの通信にはSS信号線（TX・RX）やUSB 2.0信号線（D）は必要ないのです。つまり、USB PDのみ独立しているということ。特に『CC』と『V_CONN』の2つのピンについては、USB PDにおいて非常に重要な役割を果たしています。

パワールール

W数（PDP¹）	A数（5V）	A数（9V）	A数（15V）	A数（20V）
0.5W以上・15W未満	PDP/5A	-	-	-
15W	3A	-	-	-
15W超過・27W未満	3A	PDP/9A	-	-
27W	3A	3A	-	-
27W超過・45W未満	3A	3A	PDP/15A	-
45W	3A	3A	3A	-
45W超過・60W	3A	3A	3A	PDP/20A
60W	3A	3A	3A	3A
60W超過・100W未満	3A	3A	3A	PDP/20A²
100W	3A	3A	3A	5A²

USB PD 3.0のパワールール一覧表。
¹PDP：Power Delivery Power（そのアダプター全体での電力供給能力の値）
²5Aケーブル必須。

直下で話す『ネゴシエーション』に必須なのが、この『パワールール』（旧パワープロファイル）というもの。上表はUSB PD 3.0のパワールールを掲載している。

表から分かるように、USB PD 3.0では、5V・9V・15V・20Vという4つの電圧（V）が可変するようになっている。以前のパワープロファイル（記事下の備考参照）では12Vがあるが、それに関してはUSB PD 3.0ではなくなっている。ただ、USB PD対応のUSB充電器やモバイルバッテリーでは、こっそり12Vに対応しているものもある模様。

また、USB PDを5Aにて出力するためには、 USB-C to USB-C ケーブル内に『eMarker』認証チップが組み込まれていないといけない。これに関しては後述。eMarkerチップがない場合は3A出力となる。

USB PD各プロトコルのお勉強—パワールールとパワープロファイル・リビジョンとバージョンについて USB PD 2.0もUSB PD 3.0も最新！？ USBの充電規格『USB PD』を調べていくと、『USB PD 2.0』とか...

ネゴシエーション

USB PDの『ネゴシエーション』（給電前の給電側と受電側で特定の通信）について、順を追って見ていきます。

STEP.1

ソースのRpを調べる

まずは、 USB-C to USB-C ケーブルで充電器・モバイルバッテリーとデバイスを接続する。このとき、機器間で通信を行い、どちらが『ソース』（給電側）でどちらが『シンク』（受電側）かを判定する。

USB PDプロトコル開始前に、シンク側のCC端子を使って、ソースのRp（プルアップ抵抗値）を調べます。

このタイミングではネゴシエーションが行われていないので、V_busの電圧は5Vのまま。また、ソースはデバイス未接続時には、V_busに電圧がかかっていてはダメなことになっています。
STEP.2

シンクのRd判定

CCピンが調べた電圧から、シンクのRd（プルダウン抵抗値）を調べます。

このシンクのRdから、USB Type-C Currentプロトコル（1.5A・3A）で充電可能かを判断します。Rdが算出されない場合、Default USB Power（0.5A・0.9A）で給電されるようになっています。
STEP.3

USB PD対応か判断

Rdの抵抗値が判定できた場合、ここでUSB PDでの充電が対応しているかを判断します。ソースもシンクもUSB PDに対応していなければなりません。

両方USB PDのプロトコルに対応している場合、ソースは自身が対応しているPDOをパワールールの中からシンクに通知します。
STEP.4

PDO内から給電開始

ソースから通知されたPDOをシンクが受け取ったら、そのPDOの中から希望するものをソースに通知します。これが『ネゴシエーション』となります。

給電される電力が決定すると、V_busの電圧が5V〜20Vに可変します。そこでUSB PDに沿った給電が行われるという感じです。

USB PDの注意点

【注意点1】5A出力は対応ケーブル必須
【注意点2】充電器・ケーブル・デバイスの3点を確認

USB PDで電力供給をする場合、上記の2点に注意して対応製品を購入する必要があります。

購入前に製品スペックをチェックですなー。

【注意点1】5A出力は対応ケーブル必須

USB-C to USB-C ケーブルならば、原則USB PDに対応しています。なので、必然的に3Aでの電力供給は可能。

しかし、5Aで電力供給をしたい場合、『eMarker』というチップがケーブル内に組み込まれていないといけません。eMarker非搭載の場合は、最大60Wでの電力供給になるので、100Wフルフルでデバイスを充電しないといけない場合は、eMarker搭載の5Aケーブルを購入するようにしましょう。

【注意点2】充電器・ケーブル・デバイスの3点を確認

USB PDでの電力供給をするためには、

デバイス（パソコン・スマホ等）
ケーブル（USB-C to USB ケーブル）
充電器・モバイルバッテリー

のすべてがUSB PDに対応していないといけません。

ケーブルに関しては前述のとおり、 USB-C to USB ケーブルを用意すれば、とりあえずはUSB PDでの電力供給の条件は揃います。もちろん、5Aでの電力供給はケーブルを要チェック！

充電器やモバイルバッテリーに関しては、USB PD対応と謳っている（実際に仕様が規格外とかは置いておいて）ので、そちらを購入すればOKです。
デバイスはUSB Type-C搭載のものでも、USB PDに対応していないものがチラホラ存在しています。特にパソコンはUSB PDに対応していないと、USBからの充電は絶望的になるので、しっかりとデバイスのスペックを調べるようにしましょう。

補足

USB PDの充電器・モバイルバッテリーは、かなり玉石混淆な様子。メーカーも手探りなのか、仕様がややこしいのか、当たり外れが多いイメージ。

当たり外れを調べる“購入後”のチェック項目ですな〜。

なんだか、それでは遅い気が……。

USB PD対応充電器のチェック項目

【1】Vbus Hot（Cold Socket）の電圧
【2】PDOの出力の正確さ
【3】競合する急速充電規格の対応状況
【4】Bridged CCsとRpの挙動
【5】過充電防止機能の挙動

【1】のVbus Hot（Cold Socket）で見ておくべきなのが、ちゃんとデバイスが接続されてからVbus（+5V電力供給信号線）に、電圧がかけられているかどうかというもの。デバイス未接続時にVbusに電圧がかかっているものはダメ（前述のネゴシエーション参照）なのです。

【2】のPDO（充電器・モバイルバッテリーがパワールール内から対応可能な充電パターン）が、USB PDに準拠した電圧（V：5V・9V・12V・15V・20V）・電流（A：3A・5A）になっているかをチェックしておきましょう。

【3】の競合する急速充電規格ですが、USB PD自体がUSB PD以外の方法で電圧（V）を変動させる充電方式と競合することを認めていません。
なので、Quick Charge 3.0以前（Quick Charge 4/4+はUSB PD互換なのでOK）や、スマホベンダー独自の急速充電規格もダメということです。

【4】のBridged CCsの挙動は、コンフィグ用のCCピン（CC1・CC2）に関係するもの。
USB Type-Cの規格上は、充電器・モバイルバッテリー側がCC1・CC2を“それぞれ”Rpでプルアップしないといけない（CDPモード的）のですが、CC1・CC2を短絡させて1つのRpでプルアップしているもの（DCPモード的）があります。後者のパターンは規格外なので、かなーり危険。特に5A充電だとeMarkerがうまく働いてくれない現象も出てきます。

【5】の過充電防止機能は、USB充電器の中には過充電防止機能が搭載されているものがある（ほぼ大半そう）。
AnkerやAUKEY、Belkinなどの大手製のものは搭載されているので、気になる人はそちらもチェックしてみるといいかも。

EDN Japanで詳しく解説しているから、そっちを見るのがいいかもっ！

USB PD充電器の誰でも使える選び方・購入時の注目ポイント混沌としているUSB PD界隈。仕様のせいなのか、USB PD充電器というのは“当たり外れ”が激しい。そこで、USB PD充電器...

USB-Cケーブルのチェック項目

【1】USB-IF認証済か否か
【2】規格外の変換アダプター経由ではないか
【3】C to C ケーブルにeMarkerチップ搭載か
【4】A to C ケーブルの抵抗値は正常か

【1】のUSB-IF認証に関しては、販売に必須な事項ではない。なので、ちゃんとした製品でもあっても、USB-IF非認証もある。形骸化してる感もややあるが、やはりUSB-IF認証済が安心なのは確か。USB-IF自体は、2019年初頭にUSB Type-Cの認証プログラムを発表しています。

【2】の規格外の変換アダプターですが、

Micro USB Micro-B（メス） → USB Type-C（オス）
USB Type-A（メス） → USB Type-C（オス）

以外はぜーんぶダメです。（USB Type-C Cable and Connector Specification25頁参照）

危険！USB-C→USB-A変換アダプターは“規格外”だぞ！！ CをAに変換してはいけない！ Amazonなどを見てると、USB Type-CをUSB Type-Aに変換するアダプターが売られて...

【3】の5A対応の USB-C to USB-C ケーブルの『eMarker』チップ搭載というのは、このeMarker認証チップが組み込まれていないと5AでUSB PD充電してはいけない（3AならeMarker不要）ことになっています。これは前述とおり。
なので、eMarkerチップ非搭載の USB-C to USB-C ケーブルでは、3Aモード（60W）までの電力供給となります。

【4】の USB-A to USB-C ケーブルの抵抗値ですが、AからCのタイプだと、56kΩのプルアップ抵抗値でないとダメなことになっています。
なお、USB-C@1.5Aは22kΩ・USB-C@3Aは10kΩとなっており、この抵抗値を出す USB-A to USB-C ケーブルは使わないほうが無難です。

こっちはRenesasの記事が詳しく書かれてるから、そっちも読んでみてー！

備考

USB PD 2.0 Ver. 1.1以前のパワープロファイル

プロファイル	電力	電圧・電流
1	10W	5V・2A
2	18W	5V・2A 12V・1.5A
3	36W	5V・2A 12V・3A
4	60W	5V・2A 12V・3A 20V・3A
5	100W	5V・2A 12V・5A 20V・5A