USB-C充電および主要な電源管理機能

（出典：So Pooney/stock.adobe.com；AIで生成）

1960年頃から21世紀初頭にかけて、低電圧の民生用電子機器のほぼすべてに、専用のAC/DCアダプターおよび充電器が付属しており、通常は同軸（バレル）コネクタが採用されていました。これらは、機器をAC電源から直接動作させる（アダプターモード）ため、あるいは機器のバッテリを充電するために使用されていました。

これらの充電器は、単純な構造で、電圧調整機能も不十分なAC/DC変換器であり、単に充電対象のバッテリや電源を供給するデバイスに電流を送り込むだけのものでした。充電電流や電力レベルの制御は、もし行われるとしても、電源を受け取る側の機器の役割でした。

各アダプタと充電器のセットは、出力電圧や最大電流の定格が異なっていただけでなく、DCコネクタのサイズも異なっていました（図1）。これらの異なるサイズのコネクタは、出力電圧を製品に「固定」し、不適合やそれに伴う過電圧を防ぐためのものです。

図1：内径と外径のサイズがわずかに異なるこれらの同軸（バレル）コネクタは、数多くの製品のAC/DC充電器に使用されてきました。しかし、対応する製品との互換性がその製品専用であるため、ユーザーを悩ませることがよくありました。（出典：Rainer Knäpper、フリーアートライセンス）

一般的な消費者であれば、すぐに引き出しがこうした機器で12個以上も埋まってしまうことでしょう。それらはそれぞれ異なっており、他の機器とは互換性がありません。野心的な人々が、その引き出しに無造作に詰め込まれた機器を整理して、この混沌とした状況に少しでも秩序をもたらそうと善意で努力しても、無駄に終わりました。なぜなら、製品A用のアダプタや充電器は、無関係な製品Bでは使用できないからです。AC/DCアダプタや充電器の世界全体が、互換性の欠如とユーザーの不満に満ちたものでした。

この状況は、当初、いくつかのコネクタ規格のいずれかを使用してスマートフォンの充電に用いられていた、初代低電圧ユニバーサル・シリアル・バス（USB）ポートの登場によって変化しました。業界はすぐに、USB Type-AやLightningコネクタ（Appleが2012年にiPhone、iPad、AirPodsなどのモバイルデバイス向けに開発した、8ピンのリバーシブルな独自規格のコネクタ）など、ごく一部のUSBコネクタ規格に統一されました。

2020年代へと飛躍

しかし、ここ数年で充電環境は劇的に変化しました。「共通充電器指令」とは、欧州連合（EU）の規制であり、2024年12月以降、EU域内で販売される携帯電話、タブレット、カメラなどのほとんどの新しい携帯電子機器に対し、有線給電および充電にUSB Type-Cコネクタ（図2）の使用を義務付けるものです。[1] この指令により、廃棄物の削減、バッテリパックの再利用の促進、コスト削減、および相互運用性の向上を図るため、世界中でUSB-C充電器の採用を求める市場的な圧力が高まりました。

図2：EUは、最大240W（48V・5A）でのデバイスの充電および給電に、USB Type-Cコネクタの採用を義務付けました。（出典：Achira22/stock.adobe.com）

その結果、USB-Cはスマートフォンやその他多くの民生用製品において、有線充電コネクタの主流となりました。USB-CやUSB Power Delivery（USB-PD）が採用されている場合、幅広いデバイスや電力レベルにわたって相互運用可能な電力供給が可能になります。USB-Cコネクタは24本の接点ピンを備えており、それぞれの役割は厳密に定義されています（表1）。

表1：USB Type-Cコネクタのピン配置

その結果、充電器はもはや、USB-Cコネクタを介して負荷に電流を供給するだけの、比較的受動的な電源ではなくなりました。その代わりに、充電器は電力リンクについてネゴシエーションを行い、決定を下し、保護を行う必要があります。 USB-PDでは、5V、9V、15V、20Vなどの標準電圧が定義されています。USB-PD 3.1の拡張電力範囲（EPR）では、48Vに加え、28Vおよび36Vという追加の固定電圧レベルが存在し、最大240Wの電力供給に対応しています。

USB-C電源の動作や機能は、個々のベンダーによる実装ではなく、正式な規格によって定義されています。USB-PDにより、電圧と電力供給が標準化され、予測可能になります。主な機能は以下の通りです：

• より高い電力供給：USB-PDは、スタンダード・パワー・レンジ（SPR）で最大100W、USB-PD 3.1 EPRで最大240Wに対応しています（ケーブルおよびシステムの定格に準じます）。
• 動的な電力調整：USB-PDは、接続されたデバイスのニーズに合わせて電力の流れを動的に調整し、効率的かつ安全な充電を実現します。
• 双方向充電：USB-PDは電力の送受信の両方が可能です。

USB-PDユニットの設計者は、その設計があらゆる適切なUSB-C負荷に対応できることを保証しなければなりません。USB-PDユニットの設計においては、ユニット自体およびそれがサポートする負荷が、数年という寿命にわたって日常的な使用や、場合によっては乱暴な扱いにもさらされることを考慮に入れる必要があります。しかし同時に、USB-PD仕様の将来的な進化にも対応できる柔軟性も備えていなければなりません。

制御層としてのNexperia NEX52041

USB-PDシステムは、以下の3つの重要なアーキテクチャ上の課題を認識し、対応する必要があります：

• USB-PDと負荷間のプロトコル処理
• 電力経路制御
• 実環境における障害管理

これらの課題に対するソリューションを実現するために必要な回路は、AC/DC電源段と物理的なUSB-Cコネクタの間に配置されるUSB Type-CおよびPDコントローラであるNexperia NEX52041に組み込まれています（図3）。

図3：NexperiaのNEX52041 USB Type-CおよびPDコントローラは、USB-Cの実装に必要な重要なプロトコルおよび管理機能を提供します。（出典：Nexperia）

NEX52041は、数多くの機能の中でも、コンフィギュレーション・チャネル（CC）ピンを介したUSB PD通信と、D+/D−を介した従来の急速充電ネゴシエーションの両方をサポートしています。

また、USB-C CC検出に対応した電源用途向けに設計されており、USB-PD接続、ケーブルの向き、および電力ネゴシエーションを管理する2つの専用ピン（CC1/CC2）を備えています。これらのピンにより、デバイスは接続イベントを検知し、電力ロール（ソース／シンク）を決定し、5A対応のeマーク付きケーブルが接続されている場合に最大100Wまでの電力レベルをネゴシエーションすることが可能です。 これらのピンは、有効な接続が検出されるまで電力が供給されないようにすることで、損傷を防ぎます。これは、従来の「非インテリジェントな」充電器や電源ユニットとは大きく異なります。

NEX52041は高度な集積性と洗練された設計を備えているため、必要な個別のICやディスクリート部品が大幅に削減されます。その結果、検証や確認が必要な不確定要素や相互依存関係が少なくなるシステム設計が可能となります。USB-PD設計にNEX52041を採用することで、民生用電子機器のアダプタや周辺機器など、幅広いアプリケーションに対応できるようになります。

USB-C経由での電力供給

USB-C接続が確立されると、電源供給側デバイスと受電側デバイスの間でUSB-PDネゴシエーションが行われます。このネゴシエーションによりPD構成が確立され、電力供給モードや供給量の評価が可能になります。これらは、負荷要件とUSB電源供給側が供給可能な電力に依存します。このネゴシエーションプロセスの一環として、USB-Cコネクタはどちらの向きでも挿入可能であり、ピン配置が事前に判明しないため、コントローラはまずケーブルの向きを特定する必要があります。

PDのネゴシエーションプロセス全体は複雑ですが、ユーザーには全く見えません。このプロセスでは、複雑なやり取りを経て共有契約を確立します。大まかに言えば、このネゴシエーションは予測可能な手順に従って進められます。

交渉段階には、大きく分けて4つのステップがあります：

1. このデバイスは、希望する電源設定を要求します。
2. 充電器は、その機能に基づいてリクエストを評価します。
3. 両方のデバイスが最適な出力レベルについて合意しています。
4. 合意に至らない場合、デフォルトで5V、500mAという安全な電力レベルが設定されます。

合意が成立した場合、その契約は実際の電力供給段階へと移行し、そこでは：

1. この充電器は、合意された電圧と電流で電力を供給します。
2. この装置は、電力の受電状況を監視・制御します。
3. どちらかのデバイスが変更を要求するか、接続が切断されるまで、電力供給は継続されます。

旧式のデバイスの充電

USB-C PDコネクタで充電または給電されるすべてのデバイスが、最新の高度な仕様に対応しているわけではありません。一部のデバイスはそれ以前に製造されたもので、単純な充電や接続機能についてはUSBの標準仕様に依存しています。

最新の仕様では、従来の規格におけるこの問題に対処するため、レガシーなD+/D– USBデータラインを介して電力ネゴシエーションの信号伝達を行うようになっています。この方式では、現代のUSB-C PDにおける主要な方法である、高電力ネゴシエーション用のCC1/CC2ラインを使用するのではなく、充電器の種類を識別します。また、実環境における接続に関する懸念にも配慮しています。 こうした懸念事項には、ホットプラグ（電源投入中のコネクタの着脱）、ケーブルの故障、ネゴシエーションの誤動作やネゴシエーションの失敗、内蔵の過電圧および低電圧保護、そしてコネクタピンにおける最大30Vまでの耐性（Nexperia NEX52041に特有の機能）などが含まれます。

保護機能が基板レベルの追加機能からコントローラ本体へと移行するにつれ、設計上重要な影響が生じます。これには、部品表（BOM）の簡素化、検証が必要な設計経路が少なくなることでよりすっきりとした最終製品のレイアウト、そして幅広いデバイスとの互換性などが含まれます。

しかし、他にも課題があります。従来の充電器や電源ユニットでは、電流や電力は電源側から負荷側へと一方通行でしか流れませんでした。現在では、多くの接続デバイスやアプリケーションにおいて、双方向の電流や電力が求められています。例えば、スマートフォンのモバイルバッテリは充電が必要である一方で、スマートフォンへも電力を供給しなければなりません。同様の要件は、内蔵バッテリを備えたその他のアクセサリにも当てはまります。USB-C PDプロトコルは、こうした状況に加え、避けられないバッテリ切れの事態にも対応しています。

未来を見据えて

静的な規格でも成功することはありますが、急速に進化する今日の世界においては、変更や機能強化を可能にする規格が重要です。そのため、USB-PDコントローラには、必要に応じて基本的なPD規格に機能を追加したり、ベンダー固有のニーズや動作に合わせて調整したりできるように、プログラム可能なメモリが搭載されています。このプログラム機能により、ハードウェアプラットフォームの寿命が延び、再設計サイクルの必要性が減ります。

USB-PDの拡張に関するもう一つの分野では、マルチポートUSB-C充電器の普及が進んでいる点が注目されています。これらは、単一のUSB-PDデバイスが複数の独立した負荷（1台以上のスマートフォン、スマートウォッチ、モバイルバッテリなど）に対応するものです。必要なマルチポート電力共有システムを実現するには、単純な機能の複製ではなく、高度な調整が必要となります。

これらの要件に対応するため、Nexperia NEX52041には、コントローラ間通信用のI²Cインターフェイスと、16kBのMTP（Multiple-Time Programmable）不揮発性メモリを搭載した組み込みマイクロコントローラが搭載されています。これにより、設計者は外部マイクロコントローラを使用することなく、動的な電力分配やよりスマートな電力配分を行うアルゴリズムを組み込むことが可能になります。

エンジニアの皆様がNEX52041を活用できるよう支援するため、Nexperiaでは単一のUSB-C PD充電器用のリファレンスデザインボードを提供しています（図4）。

図4：NEX52041リファレンスデザインボードは、NEX52041 ICのあらゆる機能を接続・評価するための多機能なツールです。（出典：Nexperia）

このリファレンスデザインボードの出力はUSB-Cポートとなっており、出力電圧の調整にはデコイが使用されています。 NEX52041に加え、このリファレンスデザインには、Nexperia社のNEX80605高周波共振フライバックコントローラおよびNEX81812適応型同期整流コントローラに加え、650V GaN HEMT、100V MOSFET、および30V MOSFETが採用されています。

まとめ

USBコネクタは、もはや接続されたデバイスの充電や給電、データ通信を行うための「多少スマートな」ポートというだけのものではありません。現在、このコネクタはダイナミックでスマートなシステムレベルの役割を担っており、コントローラは基本的なプロトコルの設定や、電源、ライン、あるいは誤操作による問題からの保護といった機能にとどまらず、はるかに多くの役割を果たしています。 NexperiaのNEX52041のようなICは、AC/DC電源ステージとコネクタとの間に高度な意思決定層を実装するための重要な要素です。

著者

Bill Schweber氏は、Mouser Electronicsの寄稿ライターであり、電子通信システムに関する教科書を3冊執筆したほか、数百本に及ぶ技術記事、オピニオンコラム、製品紹介記事を執筆してきた電子工学エンジニアです。過去には、EE Timesの複数の

専門サイトのテクニカル・ウェブサイト・マネージャーを務めたほか、EDNでは編集長およびアナログ担当編集者を兼任していました。

Analog Devices, Inc.（アナログおよびミックスドシグナルICの大手ベンダー）では、Bill氏はマーケティング・コミュニケーション（広報）部門に所属していました。そのため、彼は技術広報業務の両面を経験しており、メディアに対して自社の製品やストーリー、メッセージを発信する側としても、またそれらを受け取る側としても活動してきました。

Analog Devicesでマーケティング・コミュニケーション（MarCom）の職務に就く前は、同社の権威ある技術誌の副編集長を務め、また製品マーケティング部門やアプリケーション・エンジニアリング部門でも勤務していました。それ以前には、Instron Corp.に在籍し、材料試験機の制御システム向けに、アナログ回路および電源回路の設計やシステム統合の実務に従事していました。

彼はマサチューセッツ大学で電気工学の修士号（MSEE）、コロンビア大学で電気工学の学士号（BSEE）を取得しており、公認専門技術者（RPE）の資格を持ち、アマチュア無線の上級免許を保持しています。また、ビルはMOSFETの基礎、ADCの選定、LEDの駆動など、さまざまな工学分野に関するオンライン講座の企画、作成、および講義を行ってきました。

[1]https://commission.europa.eu/news-and-media/news/eu-common-charger-rules-power-all-your-devices-single-charger-2024-12-28_en