Granite River Labs, GRL
Cindy Chang 張文馨
従来、機器への充電はメーカーが提供する独自の規格が主流で、機器それぞれに専用の電源を用意するという多くの無駄が発生していました。 USBの普及により、多くの製品がUSBインターフェースを介してデータを転送するとともに、USBインターフェースを電力供給に利用するようになり、その能力の向上が図られています。 従来のUSBの電力供給能力は、USB Battery Charging 1.2（BC1.2）でも最大7.5W（5V 1.5A）しか供給できず、電子機器の充電に長時間を要していました。
USB-IF（USB Implementers Forum）は、2012年に初版の「USB Power Delivery Specification Version 1.0」を公開し、給電能力を最大100W（20V 5A）まで大幅に向上させました。 その後、より多くの機能が統合されるとともに、仕様の更新が永続的に行われています。 現在は「USB Power Delivery Specification Revision 3.0」（以下、PDまたはPD Spec）となっています。 USB Type-Cインターフェースは、市場の主流となり、ほとんどの製品がPDをサポートするようになりました。
USB Type-C® アーキテクチャ（ソース/シンク検出）
電力供給側と電力消費側の観点から、パワーロールは大きく次の3つに分けられます。
表１ パワーロール
接続した両端でCCとVBUSをモニターすることで、適切なデバイスが接続されているかどうかを確認します。
- ソース： CC端子電圧をモニタする。 ソース側でCC端子のRdを検出すると、シンクが接続されたことになり、ソースはVBUSに5Vを出力する。
- シンク： VBUSをモニターします。5Vになったら、この時点でソースが接続されていることを意味する
図１ USB Type-C接続（出典：USB Type-C Cable and Connector Spec）
PDアーキテクチャ
ソース側を例にとると、デバイスポリシーマネージャーは、主にデバイスの全体的な使用状況を監視する役割を担っています。 その機能は、Power Sourceの制御、USB-C® Port Controlモジュールの制御、Policy Engineとの連携による電力配分の調整などがあります。 各ポートは、割り当てられたリソースに従って、デバイスプロトコルにより接続されます。USB-C Controlは、前節で説明したソース/シンク検出を行います。 その後、物理層（PHY Layer）、プロトコル、ポリシーエンジンでPDの動作を制御します。 最後に、Power SourceからVBUSを介してシンクへ電力を供給します。
図2 USB PDアーキテクチャの模式図（PD 3.0 Specより引用）
- ポリシーエンジン
上位層にはデバイスポリシーマネージャーの個々のポートの状態をレポートし、ポリシーマネージャーがリアルタイムにデバイスの状態を統合して更新し、各ポートにリソースを再配置できるようにする。
下位のポリシーに従って、受信したPDメッセージの送受信方法を決定し、プロトコルレイヤーにメッセージの構築を指示する。 - プロトコルレイヤー
メッセージ送信： ポリシーエンジンからの指示を受け、必要なメッセージを構築し、PHY レイヤーから送信する。 その後、相手から返送された GoodCRC により、メッセージが正しく送信されたことを確認する。それ以外の場合は、送信失敗とみなし、Retry を行う
メッセージの受信： PHY レイヤーからメッセージを受信し、メッセージを解釈して ポリシーエンジン に報告する。 応答を行う前に、まずGoodCRCメッセージを構築し、PHYから返送させ、メッセージが正しく受信され解釈されたことを示す。
各機器のプロトコル層は、相手が必要な時間内に正しい応答をしているかどうかを確認する（Timer check）。
上記の確認でエラーが発生した場合は、どちらか一方のプロトコル層がリセットメカニズムを起動する。
表２ リセットタイプ
- 物理（PHY）レイヤー
プロトコル層から送られてきたメッセージを再処理し、SOP*、CRC、EOP、Preambleを4b5bモードで符号化したメッセージを構成し、BMCモードでCCを介して相手へ送信する。
図３ PDメッセージフォーマット（出典：PD3.0 Spec）
メッセージを受信したとき、PHY は、まず受信したメッセージの CRC を検証し、メッセージが正しければ、上位のプロトコル層へ送る。
図４ 物理層メッセージ転送フロー（出典：PD3.0 Spec）
Source Capabilitiesメッセージを例に、送信側、受信側、メッセージ送信の流れを簡単に示すと次の図のようになります。
図５ Source Capability メッセージ
PDメッセージは、同じCCラインで送受されます。 ソースは、両端でのメッセージの同時送信を避けるため、Rpを設定により、シンクの通信をを制御します。
PDプロトコル
1.SOP*通信
PDメッセージには「SOP、SOP'、SOP“の3種類の伝達対象があります。
図６ SOP/SOP’/SOP”通信ダイアグラム（出典：PD3.0 Spec）
SOPはソースとシンク間のメッセージに使用されます。 SOP’はVconn Sourceに近いe-Markerへのメッセージに使用され、SOP”は離れたe-Markerへのメッセージに使用されます。
＊e-Markerは、すべてのケーブルに搭載する必要はありませんが、Super Speedや３Aを超えるケーブルには搭載する必要があります。
2.暗黙の PD コントラクト
ソース/シンクの電源供給プロトコルは、接続するケーブルの条件に左右されます。 例えば、ソースの供給電流が最大5Aで、使用するケーブルが最大3Aの電流容量しかない場合、ソースはシンクに３A以下の電流しか供給できません。
通常、ソースはまずSOP'という形式でDiscover ID Requestを送信し、e-Markerから返ってくるDiscover ID ACKでケーブル情報を読み取ります。
図７ Discover ID ACK（GRL-A1による解析）
ソースはシンクにSource Capabilitiesを送信し、ケーブルがサポートできる条件を参照して、現在の状態での電源能力を示します。 シンクはその中から必要な電圧と電流を選択し、ソースにRequestを返します。 ソースはこの条件で電力を供給することの確認を受けた後、Acceptを返信し、準備完了後PS RDYを送信します。 この段階で暗黙のPDコントラクトが完了します。 その後、両者は状況に応じて新たなPDコントラクトを取り決めることができます。
図８ Implicit PD Contract Flow
Source Capabilities
Source Capabilities
Source Capabilitiesの仕様については、PD Specに関連する章があり、ルールについて説明されています。 以下は、PD1.0からPD3.0までの仕様書から抜粋し整理したものです。
- USB PD 1.0:
ソース側の仕様に強制力はありません。 多くの製品の充電条件を参考にした上で、いくつかの推奨設定を記載しています。
表4 PD1.0推奨電源設定（出典: PD1.0 Spec)
-
USB PD 2.0
USB PD 2.0から開始する。仕様書に電源端として明確に要求されている場合は、下表の条件を満たす製品であることが必要です。 例えば、最大電力が36Wの場合、5V 3A、9V 3A、15V 2.4Aを組み合わせた電源容量を設定する必要があります。 この条件は、Source CapabilitiesのPDO（Power Data Object）フィールドに記載されます。 各製品は、表にあるもの以外に、必要に応じて他の組み合わせを追加することができるが、その数は7グループに限定されます。
表５ PD2.0 パワーサプライ仕様（出典: PD２.0 Spec)
※2020年8月以降、USB-IFはPD2.0以下の規格のみをサポートする製品の認定を全て終了しました。
- USB PD 3.0:
USB PD 3.0の電源仕様をいかに示します。 オプションでPPS（Programmable Power Supply）機能が追加されました。 PPSモードでは、電圧を3.3V～21V の範囲で20mVステップの調整が可能です。 このモードにより、低い電圧で大電流出力が可能となり、充電効率を大幅に向上させることができます。
PD3.0の新しいPPSモードを従来のPD2.0モードと区別するために、以下の表のルールに従って、PDOを分割することができます。
- Fixed Supply PDO（通常，Fixed PDO と呼ばれる）： 固定電圧出力モード
- Augmented PDO（通常APDOと呼ばれる）： PPSモードにおいて、電圧を一定範囲内で出力調整可能
例として36Wで、PPS（Optional）に対応したい場合は、その旨を記載する必要があります。
- Fixed PDO：5V@3A、9V@3A、15V@2.4A
- APDO：3.3V ~ 11V (9V Prog)@3A、3.3~16V (15V Prog)@2.4A
5V Progは9V Progの仕様でカバーされているため、APDO電流の2つのグループの設定が異なる場合、別々にリストアップしないことも可能です。
表６ PD3.0パワーサプライ仕様（出典： PD3.0 Spec）
参考文献
- USB Type-C® Cable and Connector Specification Revision 2.0
- USB Power Delivery Specification Revision 1.0 Version 1.2
- USB Power Delivery Specification Revision 2.0 Version 1.3
- USB Power Delivery Specification Revision 3.0 Version 2.0
著者
Cindy Chang, Test Engineer of GRL (Taiwan Province)
国立成功大学材料学部卒業。
Cindy Changは3年以上のPower Delivery関連のテスト経験を持ち、Thunderbolt PD、USB-IF PD Compliance、Qualcomm Quick Charge（QC）などのテスト仕様に精通しています。 現在、Cindy ChangはGRL（台湾）のPDテストを担当し、顧客が認証取得に成功できるよう、PD問題の解決をサポートしています。
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