電気の通り道
VBUSが電源側、GNDが戻り側。USB PDで話がまとまると、VBUSの電圧を変更できます。
予備知識ゼロからの USB PD 入門
“USB充電器って、＋と−の2本でつながっているだけじゃないの？”
充電器とスマホ、
じつは会話してます。
電気を運ぶだけではなく、「どの電圧で、どこまで使っていい？」と相談する。それが、いまのUSB-C充電を理解する入口です。
「＋と−だけ」は、半分正解。
電気を届けるには、行きと戻りの道が必要です。ただ、USB全体の仕事は給電だけではありません。ここでは、両端がUSB-Cの充電を、3つの役割に分けて見てみます。[2][3]
充電器
＋ 電気を届ける道 · VBUS
− 電気が戻る道 · GND
条件を相談する道 · CC
スマホ
接続確認と、相談の通り道
相手がつながったことやプラグの向きを調べる役割があります。USB-CのPD通信も、このCCの経路で行われます。「会話」は声ではなく、短い電気信号で伝えるメッセージです。
写真やファイルの通り道
充電の相談と、写真などのUSBデータ通信は別の仕事です。USB-Cという同じ形でも、充電能力とデータ転送速度は同じとは限りません。
USB-Cは「差し込み口の形」。USB PDは「電源の相談ルール」。
USB-Cだから必ずPD対応、必ず高速充電、必ず映像も出せる、とは言えません。端子の形と、その製品ができることを分けて考えると、ぐっと整理しやすくなります。[4]
数字は、3つだけ知っておこう。
まずは意味の違いがわかれば十分です。暗記する必要はありません。
V
ボルト / 電圧
電気を流そうとする強さ
水でいう水圧に少し似たイメージ。5V、9V、20Vなど、相談で選ぶ条件の一つです。
A
アンペア / 電流
実際に流れる電気の量
正確には、1秒あたりに流れる電荷の量。つないだ機器の働き方で変わり、いつも上限まで流れるわけではありません。
W
ワット / 電力
その瞬間に使うエネルギーのペース
USBの直流では、電圧V × 電流A。電圧が9V、実際の電流が2Aなら18Wです。
水のたとえは、意味をつかむためのイメージです。電気と水がまったく同じ動きをする、という説明ではありません。
V と A を変えてみる
この数値なら
9 V × 2 A
これは掛け算を見るための計算機です。機器への電圧要求や、実測・対応判定は行いません。
つないだ直後の会話を、のぞいてみよう。
ここでは、5Vから9Vへ切り替える成功例を見ます。充電器は出せる条件を伝え、スマホはその中から希望を選びます。勝手に高い電圧になるわけではありません。[2]
説明用の再現です。実際の機器・通信・測定には接続していません。拒否、再試行、細かな受信確認などは省いています。
まず、つながったことを確認
接続の確認
相手がつながったね。まずは5Vから。
これはCCによる接続検出の説明で、ここに書いたセリフがそのままPDメッセージとして流れるわけではありません。
Attach / 5V充電器が「メニュー」を出す
充電器 → スマホ
5V、9V、15V、20Vを出せます。それぞれ最大3Aまでです。
出せる電圧や電流の条件を伝えます。このメニューの1項目にあたる情報がPDOです。この例は最大60Wのメニューです。
Source_Capabilitiesスマホが使いたい条件を伝える
スマホ → 充電器
では、9V・最大2Aの条件を使わせてください。
機器が使える条件を選んで要求します。2Aはこの例で要求する電流の上限で、常に2Aを流すという命令ではありません。
Request充電器が了承して、準備する
充電器 → スマホ
了解。いまから9Vに切り替えます。
Acceptは条件への了承です。この返事だけを見て、すでに9Vで充電できていると判断するのは早い段階です。
Accept準備ができたことを知らせる
充電器 → スマホ
9Vの準備ができました。どうぞ！
PS_RDYは電源準備完了の通知です。スマホは合意した条件内で電気を使います。実際の電流と電力は、別に測らなければわかりません。
PS_RDY「18Wまで使っていい」と「いま18W使っている」は、別の話。
レストランで大きなメニューを渡されても、全品を一度に食べるわけではないですよね。充電器が示す出力は出せる条件。機器が実際に使う量は、電池残量、温度、画面の使用、機器内の充電制御などで変わります。[1]
9Vは、バッテリーへそのまま直結される？
そうではありません。USBから受け取った電源は、スマホ内の電源・充電回路で調整され、機器の動作やバッテリーの充電に使われます。USB側で見た電圧は、電池そのものの電圧とは別です。
ケーブルも、ただのひもではありません。
充電器とスマホが対応していても、ケーブルが同じ条件に対応している必要があります。速さや大きな出力は、充電器だけで決まりません。
充電器
どの条件を出せる？
ケーブル
その電圧・電流に対応する？
機器
どの条件を受け取れて、いま何を必要とする？
中に「名札」を持つケーブルもある。
e-marker（イーマーカー）という小さなチップが、ケーブルの対応能力などを伝えることがあります。すべてのケーブルに入っているわけではありません。たとえば3Aを超える電流やEPRを使うには、それに対応する電子マーク付きケーブルが必要です。[2]
名札の読み取りだけで、線材の品質や実際の出力を試験したことにはなりません。充電対応とデータ転送速度の表示も別々に確認します。
たぶん、ここが気になる。
240Wの充電器につなぐと、スマホへ240Wを押し込むの？
規格に沿って動作する組み合わせでは、そうなりません。240Wはその充電器が条件次第で出せる最大の能力です。機器が受け取れる条件を相談し、機器が必要な電気を使います。240W充電には機器とケーブル側の対応も必要です。
同じ充電器なのに、満充電に近づくと遅くなるのはなぜ？
電池を管理する機器側が、充電を進めるにつれて電流を減らすことがあります。温度や動作状態でも変わります。表示された電力が小さいだけで、充電器の故障とは限りません。
USB PDに対応していないと、USB-Cでは充電できない？
いいえ。USB-CにはPD通信を使わず、5Vで給電する仕組みもあります。CCを使った接続検出や電流能力の通知と、PDメッセージのやり取りは区別します。
USB-Aの四角い充電器も、同じ相談をするの？
このページは現在一般的なUSB-C同士のPD充電の説明です。USB-Aでは、D+／D−などを利用する充電方式もあり、同じ仕組みとは限りません。「昔のUSBも必ず2本線だけ」という意味でもありません。
PPSやEPRって何？ 今は覚えないとダメ？
今は名前だけで十分です。PPSは対応範囲で電圧を細かく調整する仕組み。EPRはより高い電圧を扱い、最大240Wまで広げた電源範囲です。EPRにも専用の手順があり、ただ48Vをつなげばよいわけではありません。
パソコンからスマホを充電できるのは、なぜ？
電気を出す役はSource、受け取る役はSinkと呼びます。コンセント用の充電器だけがSourceとは限りません。両方の役ができる機器もあり、対応していれば役割の交換もできます。
ログを読むときの、小さな辞書。
- USB PD
- 電源の条件をやり取りするためのルール。PDはPower Deliveryの略。
- プロトコル
- 機器どうしが理解できる、メッセージの形式や手順の決まり。
- Source / Sink
- 電気を出す側／受け取る側。充電器とスマホの例では、この順番。
- PDO
- 充電器が示す電源メニューの1項目。対応電圧や電流などの条件を含む。
- GoodCRC
- メッセージを受け取ったことへの確認。電源条件を了承するAcceptとは別。
- PS_RDY
- 電源の準備ができたことを知らせるメッセージ。実際の消費電力の測定値ではない。
説明の範囲と参考資料
USB-C同士の一般的なUSB PD接続を、入門向けに簡略化しています。全メッセージ、全充電方式や規格の細則を網羅するものではありません。図と会話は本ページ用に作成した説明用のものです。