【USB】第6回 USB充電を大きく変える新規格、USB PDとは？：ITの教室（3/3 ページ）
USBは、さまざまな機器で電力供給のために利用されている。スマートフォンなどの充電にもUSBが利用されているのはご存じの通り。しかし、このような使い方は当初想定されていなかったものだ。そこで、新たにUSBの電力供給の仕様「USB Power Delivery」が作られた。今回は、この「USB Power Delivery」について解説する。
USB PDデバイスと内部構成
USB PDでは、以下の「ホスト」「デバイス」「ハブ」「チャージャー」の4つのデバイスを想定している。
これらのデバイスには、「UFP」「DFP」「ソース（電源）」「シンク（電源負荷）」「Vconnソース」のコンポーネントが1つ以上含まれる。
UFP（Upstream Facing Port。いわゆるUSBアップストリームポート。デバイス側ポート）は、初期状態ではシンクとして動作する。オプションとしてソースとなることもできるが、こうしたデバイスを「Dual-Role Power Device」（DRPデバイス）という。
USB PDでは、USBのデータ通信は必須とされていない。このため、USB PDという仕様の中では、データ通信はオプションである。例えばチャージャーのUSBポートはUSB Type-Cコネクターであってもデータ通信を行う必要はない。もちろんできても構わない。SOP（Start Of Packet）パケットにより相手ポート（DFP）と通信を行う（後述）。オプションとしてケーブル内の電子機器（E-Markedケーブル）とのSOP*通信を行える
DFP（Down Stream Facing Port。いわゆるUSBダウンストリームポート。ホスト側ポート）は、初期状態でソース（電源）として動作する。DRPデバイスならばシンクとして動作することもできる。やはりUSBデータ通信についてはUSB PDではオプションである。SOP通信は必須で、オプションとしてSOP*通信が可能。
ソースは、何らかの外部電源からの電力供給を受け、他のUSB PDデバイスに電力を供給するものだ。バッテリーなどからの出力電力でも構わない。バスパワーハブのDFPのように他のソースを持つポートから派生させることもできる。
シンクは、USB機器内蔵の回路などのために電力を消費するものだ。あるいはバッテリーのように充電で電力を消費するものも含まれる。バスパワーハブのUFPのように他のデバイスのために電力を受け取るものも含まれる。
Vconnは、USB Type-Cの信号線の一つである。USB Type-Cケーブルが内蔵する電子回路（E-Markedケーブルの内蔵回路。eMarker）などに電力を提供する信号線だ。Vconnソースとは、Vconnに対して電力を提供するもの、あるいはその機能である。Vconnに電力が供給されることで、E-Markedケーブルなどの内蔵電子回路が動作可能になる。eMarkerはVBUSなどから電力を受けとることはできず、Vconnからの電力で動作する。
USB PDデバイス間の通信
USB PDでは、接続されたポート間でCCラインを経由した通信を行う（USB Type-Cのコネクターを下図に、信号を下表に示す）。これをパケット形式などから「SOP（Start Of Packet）通信」あるいは「SOP Signaling（シグナリング）」という。
| 分類 | 表記 | 意味 | |
|---|---|---|---|
| USB 3.1 | TX1+／TX1- | USB SuperSpeed/SuperSpeed+データ信号（Gen1×1、Gen2×1） | |
| RX1+／RX1- | |||
| TX2+／TX2- | コネクター反転時の接続先。コンフィギュレーション後にUSB 3.2 Gen1x2、Gen2x2接続で利用 | ||
| RX2+／RX2- | |||
| USB 2.0 | D+／D- | プラグ側データ信号（1対のみ） | |
| D1+／D1-、D2+／D2- | レセプタクル側データ信号（2対）。プラグの向きに応じて、プラグ側のD+／-が、D1、D2+／-のどちらかに接続 | ||
| 構成／設定 | CC1／CC2 | レセプタクル側コンフィギュレーション信号。プラグの向きに応じて、プラグ側CCがレセプタクル側CC1またはCC2のどちらかに接続する | |
| CC | コンフィギュレーション信号（プラグ側） | ||
| 電源 | VBUS | バス電源ライン | |
| Vconn | プラグ電源ライン（プラグ内回路用）。プラグの向きに応じてレセプタクル側のCC1／CC2のどちらかに接続する | ||
| GND | グランド（0V、アース側） | ||
| 補助信号 | SUB1／SUB2 | 補助信号。サイドバンド。Alternate Modeなどでの利用を想定 | |
| USB PDの信号 | |||
なお、同じくCC信号線ラインは、USB Type-CのeMarkedケーブルに内蔵されているeMarkerとの通信にも利用されており、このときには、「SOP'形式（SOPプライム。手前のコネクター内にあるeMarker宛の通信）」「SOP''（SOPダブルプライム。反対側のコネクター側にあるeMarkerとの通信）」が可能になる。ただし、「SOP'」「SOP''」通信に関しては、オプションである。また、「SOP」「SOP'」「SOP''」を合わせてSOP*通信と呼ぶ。
SOP通信は、メッセージの先頭に「SOP（Start Of Packet）」と呼ばれるデータが置かれ、これが宛先（相手ポートなのか、どちらのeMarkerなのか）を指定する。動作中の通信には、構造が簡単なコントロールメッセージが使われるが、ネゴシェーション時などには、複数データを含むデータメッセージが利用される。
USB Type-Cケーブルで接続された2つのUSB PDポートを「ポートペア」といい、このうち一方のポートから見た相手側ポートを「ポートパートナー」という。SOP通信とはポートペア間の通信であり、ポートパートナーとの通信であるといえる。CCラインは、USB Type-Cの定義により、抵抗が組み込まれており、その値により、相手の初期状態を得ることができる。SOP通信によるネゴシェーションはその後に行われる。
実装は別にして、各デバイスはUSB PDにおける挙動を定義した「ポリシー（ Policy）」を持つ。デバイスのポリシーは、「ローカルポリシー」と呼ばれ「デバイスポリシーマネジャー」によって実施される。また、デバイスのポート（1つだけとは限らない）にはポリシーエンジンがあり、各ポートはこのポリシーエンジンが管理する。
なお、USBホストは「システムポリシー」を持つことができ、これを使って、接続された全てのUSB PDデバイスのローカルポリシーを制御できる。ただし、その制御は、USBデータ通信を介して各デバイスに送られ、デバイス内のコントローラーなどがローカルポリシーに反映する。システムポリシー自体は、オプションであり、必須の存在ではない。
ポリシーエンジンやローカルポリシーマネジャーは、USB PDで接続した場合にお互いのポリシーを確認し、双方に受け入れ可能な状態を交渉する。これにより、動作が決定される。
ポートの初期状態と役割の変更
ソースにもシンクにもなることができるデバイスを「Dual-Role Power Device」と呼び、この役割を切り替える機能を「Dual-Role Power（DRP）」という。USB PDでは、初期状態でDFPとUFPで、電源に関する役割が決まっている。Dual-Role Powerは、接続した後の通信で、役割を変更できる。この切り替えを「Power Role Swap」という。このPower Role Swapは、相手が対応しているなら、ソースとシンクのどちら側からでもリクエストが行える。
全てのUSB PD対応ポートには、必ず初期状態がある。というのもUSB Type-Cコネクターは、ハードウェアとしてソースかシンクなのかがあらかじめ決まっているからだ。PC本体側などホストになる機器ならば、デフォルト状態はソースであり、そのUSBポートはDFP（ホスト側ポート）となる。USBデバイスならば、デフォルト状態はシンクであり、ポートはUFPとなる。
実際には、ホストなのかデバイスなのかよりもソースなのかシンクなのかの方が主導的である。DRP（Dual-Role Power）、DRDは、こうしたハードウェアの初期状態に対して役割を変更することが可能だ。なお、USB Type-Cは、構造的にプラグとレセプタクルがそれぞれ1種しかないため、コネクターの形状でソース／シンク（あるいはホスト／デバイス）が決まるわけではない。同種の役割を持ち役割変更ができないポート同士を接続してしまうことも不可能ではないが、接続直後のハードウェア的な判定により、出力電力同士が接続してしまうようなことはない。役割の変更は、USB PDの通信を介して、双方が合意した上で行われるが、ソース／シンクのどちら側から要求を行ってもよい。
| ポート | 初期電力状態 | 初期データ役割 | Vconnソース | CC1／CC2 | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|
| DFP | ソース | ホスト | 可 | Rp（10〜56kΩ）*1 | ホストの初期状態 |
| UFP | シンク | デバイス | 不可 | Rd（5.1kΩ） | デバイスの初期状態 |
*1：最大電流供給量を抵抗値で示す
Rev:3.0では、「Fast Role Swap」と呼ばれる機能がUSBハブ向けに追加されている。これは、USB PD対応USBハブからACアダプターが外された場合にソース／シンクの切り替えを高速に行い、ハブに接続されているデバイスへのVBUS電源喪失を防ぎ、デバイスとしての動作を継続させるためのものだ。
このとき、USB PDの通信ではなく、ハードウェアでCCラインをグランドと接続することでホスト側に通知が行われる。なお、この機能は、Rev:3.0固有のものなので、USBハブとホストがUSB PD Rev:3.0に準拠している場合に動作する。
USB PDやUSB Type-Cはいまのところ、まだ中位以上の製品に搭載されており、例えば、PCでも安価なものは、専用の電源コネクターを使うものが少なくない。スマートフォンでも、安価な製品はいまだにマイクロUSBコネクターを採用している。しかし、すでにUSB Type-CとUSB PDを採用した製品を選択することで、持ち歩くACアダプターを1つにまとめることも不可能ではなくなった。コンパクトで持ち歩きに向いたサードパーティーのUSB PD電源なども販売されている。これまで、機器ごとにACアダプターやチャージャーが違っていたが、これらが統一され、ACアダプター1つを持ち歩けば済むようになる日も近い。
取りあえず今回でUSBに関する説明を終わる。USBは、当初は単純なデバイス接続のインタフェースだったが、現在では、多くのコンピュータプラットフォームで外付けデバイスの接続やモバイル機器の充電に使われている。
USB Type-Cは、こうしたUSBの「再スタート」に当たり、USB PDを利用することで、USBやUSB以外のデバイスと電源供給に利用することが可能になる。今回の解説は、USBの仕様書を元に行ったが、仕様書の全てを解説したわけではない。仕様書はUSB Impliementers Forum（USB.org）のサイトからダウンロードできるので、必要に応じて参照してほしい。
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