USB-PD：コンポーネントとシステム設計

投稿日七月 10, 2020
更新日六月 25, 2023

古い壁の充電器を使っていると、なぜ電話の充電に何時間もかかるのか、新しい壁の充電器に接続すると非常に迅速に充電されるのか、疑問に思ったことはありませんか？電子機器の設計者であれば、問題を知っています：古い壁の充電器は出力電流が低すぎるため、合理的な時間内にバッテリーを充電するのに十分な電力を供給していません。新しい電話は電力をたくさん必要とするため、迅速に完全に充電するためにはより多くの電流が必要です。

USBは1996年から存在していますが、新しいUSB-PDはType Cコネクタを介してモバイルデバイスに高い電力を転送することを可能にし、より速い充電を実現します。USB-PDは双方向の電力交換も可能にするため、理論的にはあなたの電話があなたのラップトップを動力供給することができます。ここでは、USB-PDシステムに必要なコンポーネントと、USB-PDをサポートする次の製品を設計する方法について説明します。

USB-PD規格

USB-PDの中心的な前提はシンプルです：接続されたデバイスにより多くの電流を高い電圧で転送し、その結果、バッテリーをより速く充電します。現行のRev. 3.0の下で、USB-PD規格はUSB Type Cコネクタを介して最大20V/5Aでデバイス間で最大100Wを提供することを可能にします。ただし、受信デバイスがそのような多量の電圧/電流に耐えられる場合に限ります。ガイドラインのこれらの数値は、十分な電力を受け取るためにバレルコネクタが必要だったラップトップ、タブレット、およびその他のデバイスの充電を意図していました。例えば、私の1年前のラップトップは充電に19.5V/3.3A DC電源を必要としており、これはUSB-PDプロトコルの範囲内です。

USB-PDはUSB Type-Cケーブルを介して電力を転送し、ベンダーに依存しないことを意図しています。言い換えれば、USB-PD規格は、さまざまな製品に適応可能なユニバーサル充電ソリューションを開発するための方法を製品設計者に提供することを意図していました。ベンダーに依存しないということは、QualcommやSamsungがそれぞれのモバイル電話用に独自の充電技術（Quick ChargeおよびAdaptive Fast Charging）を開発することを妨げませんでした。しかし、USB-PDはこれらおよびその他のモバイルデバイス、またはあなたの新しいIoT/モバイルデバイスでまだ使用できます。

下の表は、異なる電力レベルでの供給に使用される標準化された電圧レベルを示しています。選択するコンポーネントは、USB-PD規格に準拠しているために、これらの特定の出力電圧および電流範囲を満たす必要があります。

USB-PD規格はあくまで提案であり、要件ではありません。例えば、最近のApple iPhoneは14.5V/2A（29W）で充電され、上記の表の15Vセクションと互換性があります。

USB-PDのコンポーネント

異なる製品が異なる電圧と電流を必要とするため、充電ホストは接続されたデバイスと交渉し、供給する正しい電圧/電流を決定する必要があります。コンポーネントは次の機能を提供する必要があります：

ケーブルの取り付け、ケーブルの向き、およびケーブルの役割検出
5Vでのレガシーデバイスとの互換性
必要に応じて標準の+Dおよび-Dピンを介したデータ転送の提供
特定の電圧レベル間での切り替え
定義された機能（デュアルロール、ソース、またはシンク）

一部のシステムでは、複数の下流デバイスに電力を供給するために、複数のUSB-PD電源スイッチおよび/またはマルチプレクサが必要になる場合があります。入出力電力調整や過電流抑制など、他の電力システムコンポーネントも必要になります。最後のポイントは、USB-PDの双方向性（デュアルロールモード）を可能にすることで重要です。これは、デバイス間の電力転送を交渉するために専用のUSB-PDコントローラーが使用される場所です。ここでは、任意のUSB-PD充電システムに不可欠なコンポーネントの例をいくつか紹介します。

ON Semiconductor, FUSB302BMPX

ON SemiconductorのFUSB302BMPXは、USB-PD仕様の下で最大100Wまでの出力を提供する電源スイッチです。このコンポーネントはRev. 2.0の下でリリースされましたが、新しいRev 3.0デバイスとも互換性があり、現在もアクティブな生産中です。このコンポーネントは、USB-PDを使用したラップトップ、電話、ポータブルバッテリー駆動の充電ユニット、およびカメラなどのアプリケーションで活用されています。

FUSB302BMPXデータシートからのUSB-PD電源コントローラーブロック図。

NXP Semiconductors, PTN5100DBSMP

NXP SemiconductorsのPTN5100DBSMPは、単一のType-C USBポート用のUSB-PD互換PHYインターフェースです。このICには、下流デバイスのデッドバッテリー状態をサポートするLDOが含まれています。このICは、受信デバイスの入力PHYレイヤーとしても構成できるか、デュアルロールに設定することもできます。設定はSPIインターフェースを介して行われ、ステータス更新はI2Cを介して提供されます。このICはまた、下流の電力供給のための電力バス上のPMOS電力MOSFETのゲート制御信号も提供します。

PTN5100DBSMPデータシートからの機能ブロック図。 (Alt text: TPS65982データシートからのUSB-PDブロック図) https://drive.google.com/open?id=1mNBypQutN1Y7_tr6eVTaTVmfc0ygDNw3

Texas Instruments, TPS65982

テキサス・インスツルメンツのTPS65982は、USB-PD用の電源スイッチ、コントローラー、およびマルチプレクサーを一つのユニットに集約したものです。他のコンポーネントでは重要な機能を異なるICに分けていますが、このコンポーネントはUSB-PDを搭載した製品に大きな利点をもたらします。このデバイスにはUSB PHYレイヤー、デッドバッテリーサポート用の3.3 V LDO出力、およびType-C電源用の5 V/ 3 Aスイッチが含まれています。最大20 V/3 Aの出力が可能で、現代のモバイルデバイスと互換性があります。テキサス・インスツルメンツは、唯一の欠点が60 Wの限定的な電力出力であることを除けば、これらのコンポーネントの現在のリーダーと言えるでしょう。

TPS65982データシートからの機能ブロック図。

USB-PD規格に基づいて電源システムを設計すると、次のモバイル、IoT、またはその他の電源システムの充電がはるかに速くなります。上記のコンポーネントは、次の電源システムの開始に役立ち、Octopartのような電子部品検索エンジンを使用すると、必要なコンポーネントを見つけることができます。高度なフィルタリングは、次のシステムに適したコンポーネントを絞り込むのに役立ちます。

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