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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

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。

二条ねこ

うーむ…。
USB PDって便利だーってオチなはずが……。

砂瀧えり

それって、どういうことなん!?

まの

のっけから雲行きが怪しいですわね…。

『USB PD』とは?

『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。

二条ねこ

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
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。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。

二条ねこ

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

【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。

二条ねこ

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!

まの

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

【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。

二条ねこ

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

【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
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。

二条ねこ

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。

砂瀧えり

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?

二条ねこ

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。

二条ねこ

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』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。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。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『VCONN』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
    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、Vbusの電圧は5Vのまま。また、ソースはデバイス未接続時には、Vbus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
    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
    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
    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、Vbus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。

二条ねこ

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

【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

【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

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。

二条ねこ

当たり外れを調べる“購入後”のチェック項目ですな〜。

まの

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。

二条ねこ

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-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!!
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。

二条ねこ

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

USB PDのパワープロファイル対応表。

現在では前述のパワールールが使われているが、USB PD当初はこの『パワープロファイル』というものだった。こちらも参考値としてどうぞ。なお、各プロファイルの最大電力内であれば、ある程度の電圧(V)・電流(A)は変更をかけてもOKだそうです。

まとめ「USB PDはカオスな落とし穴だらけ」

まとめ「USB PDはカオスな落とし穴だらけ」

総括すると、
USB PDって…ややこしいじゃん!!
ということに尽きます。

本来なら、さまざまな端子が1つに統一されて便利。充電もこれ1本。…なはずなのですが、黎明期ゆえか、とにかく仕様のカオスさといったらこの上ない感じ。調べたことを後悔するレベルで混沌としていました。

二条ねこ

正解のない詰碁のような感じあーる…。

USB Type-Cとは?—規格・特徴・注意点をまるっと解説したぞ( ˘ω˘)
USB Type-Cとは?—規格・特徴・注意点をまるっと解説したぞ( ˘ω˘) 便利だけどややこしい子! 『USB Type-C』は、Android・Mac・PC…と搭載機が増えているが、イマイチよく分からない...

おまけ

まの

私達もメーカー側も理解しきれていない感がありますわね。

砂瀧えり

これだけややこしいと…ね。

二条ねこ

ユーザーは仕方ないけど、メーカー側はちゃんと仕様を咀嚼して製品をローンチしてほしいのが本音だけどねー。

まの

そう…ですわね。

おわり

Reference:
USB.org, アリオン株式会社, USB Type-Cで逆挿入や多様な電力供給が可能に、その仕組みは? - EDN Japan, USB PD 徹底解説 - Renesas Electronics, ST USB-PD controller - STMicroelectronics, USB、「Type-C」充電の実態

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