Quick Charge 2.0と3.0のご紹介

Granite River Labs, GRL
Dennis Lan

電子機器は、現代社会に欠かせないものとなっています。電子機器間でデータをやり取りするUSBインターフェースの普及は、仕事やプライベートをより充実させており、USB電源の需要は年々高まる一方です。

Qualcomm Quick Charge 2.0はどのように電源機能に革命をもたらしたか

USBの電源供給能力は、需要の高まりに対応するため、常に進化を続けています。USB 2.0では2.5W（5V@0.5A）だった電源供給能力は、USB 3.0の登場により4.5W（5V@0.9A）へと向上しました。同様にBC1.2対応製品の電源供給能力も7.5W(5V@1.5A)に向上しました。しかし、電力供給能力の真の飛躍は、Qualcomm社のQuick Charge（QC）技術の導入にありました。

2014年、Qualcomm社は最大60W（20V@3A）¹という、従来の約8倍のワット数の給電能力を持つQuick Charge 2.0（QC 2.0）を発表しました。その後リリースされたQuick Charge 3.0（QC 3.0）では、段階的な調整特性とともに連続モードが導入され²、QCテクノロジーの電源供給における電圧の選択肢が広がりました。この記事ではこの点についてご紹介いたします。

HVDCPはQC 2.0とQC 3.0をどのようにサポートしているか

Qualcomm社のHVDCP（High Voltage Dedicated Charging Port）は、USBデータ転送機能を搭載していない急速充電デバイスの一種です。しかし、HVDCPはポータブル機器と通信し、電力供給のための電圧レベルを調整することができます。

HVDCPの電力供給能力は、2つのクラスに分けられます：

• クラスAは、5V、9V、12Vの電源供給能力を提供します。
• クラスBでは、5V、9V、12Vに加え、20Vの電圧のサポートが必要です。

QC 3.0をサポートするすべてのHVDCPは、QC 2.0との後方互換性がある必要があり、汎用性が高く効率的な充電ソリューションとなります。

表1：クラスAおよびクラスBのHVDCPでサポートされる電源電圧

Quick Charge対応機器におけるHVDCPの検出

HVDCPによる充電は、ポータブル機器と充電ポートの両方がQuick Chargeをサポートしている場合にのみ可能です。ポータブルデバイスが検出プロセスを開始し、BC 1.2仕様で規定されているものと同様の3つのステップを行います：

1. V_BUS検出： VBUS検出：ポータブルデバイスがHVDCPに接続し、VBUS電圧が内部有効電圧閾値VOTG_SESS_VLD（0.8-4V）より大きいことを検出すると、ポータブルデバイスが有効な回路に接続されていることを意味します。
2. 一次検出： HVDCPはRDCP_DATを介してその上のD+ / D-を短絡し、携帯機器はD+に電圧VDP_SRC（0.6V）を供給し、D-上の電圧（VDM）とVDAT_REF（0.25-0.4V）を比較します。VDMがVDAT_REFより大きければ，HVDCPがBC1.2をサポートしていることを意味します。そして、D+電圧がVDAT_REFより大きい期間TGLITCH_BC_DONE（1-1.5s）を検出することにより、携帯機器はBC1.2検出手順を完了できるかどうかを確認することができます。
3. BC1.2 とは無関係の第3ステップ：HVDCPはD+/D-を切断し、RDM_DWNをオンにして、このHVDCPがQCをサポートしていることをポータブルデバイスに通知します。最後に、D-電圧が一定時間TGLITCH_DM_LOW（1ms）の間、VDAT_REF Min（0.25V）以下に維持された後、HVDCPは携帯機器から発生する電圧要求への応答を開始することができます。

図1：HVDCP（High Voltage Dedicated Charging Port）回路図

QC 2.0とQC 3.0の電源性能の違い

QC 2.0とQC 3.0に対応したHVDCPの電源供給能力には、ほとんど差がありません。QC 2.0 HVDCPもQC 3.0 HVDCPと同様にクラスAとクラスBに分類され、クラスAは5V、9V、12Vの電源に対応し、クラスBは20Vに対応しています。両者の大きな違いは、QC 2.0 HVDCPはContinuousモードをサポートしていないこと、また、QC 3.0 HVDCPのようにVBUS電圧出力を段階的に調整する機能がないことです。

携帯機器から異なる電圧を要求された場合

D-電圧がVDAT_REF以下に一定時間TGLITCH_DM_LOW（1ms）保持されると、HVDCPは携帯端末からの異なる電圧モード要求への応答を開始できます。携帯端末からの充電要求は、異なるD+/D-レベルの切り替えによって行われます（高レベルは3.3V、低レベルは0.6V）。

これらのレベルはVSEL_REF（約2V）によって3.3V（VUP）と0.6V（VSRC）に分けられます。携帯端末から充電要求があると，HVDCPはTGLITCH_MODE_CHANGE（20-60ms）後にVBUS出力電圧の調整を開始し，TV_NEW_REQUEST（200ms）以内に携帯機器の要求するVBUS電圧になるようにVBUS切り替えを完了させます。

表2： D+/D-電圧と対応するHVDCP出力

図2：携帯機器からの12V要求

QC 3.0に対応した連続モード

連続モードでは、携帯端末はD+とD-パルスを送信することでVBUS電圧出力を制御することができます。連続モードに入るには、携帯端末でD+を0.6V、D-を3.3Vに設定し、一定時間TGLITCH_MODE_CHANGE（20-60ms）後に連続モードに入ります。

D+パルスは，D+を0.6Vから3.3Vに短時間上昇させた後，0.6Vに戻し，VBUS電圧を0.2V上昇さ せます。D-パルスは、D-を3.3Vから0.6Vに短時間下げ、その後3.3Vに戻すため、VBUS電圧は0.2V低下します。ポータブル機器は、一度に複数のD+またはD-パルスを発することができ、各パルスはVBUS電圧に0.2Vの変化をもたらすことになります。

最後のパルスが送信された後、HVDCPは最後のD+パルスの立ち上がりエッジ（D+が3.3Vに上昇する場合）または最後のD-パルスの立ち下がりエッジ（D-が0.6Vに低下する場合）からTV_CONT_CHANGE（2ms）以内にVBUSを最終電圧値まで上げるか下げる必要があります。

立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジがTGLITCH_CONT_CHANGE（100～200μs）内にあることで有効なパルスとなり、この条件を満たしている限り、VBUS電圧を上昇または下降させることができます。

図3：携帯端末からの連続モード要求

図4：図3から増幅されたD+パルス

パワープロファイルを用いたHVDCPの最大出力電流の決定

パワープロファイルを使用すると、異なる電圧におけるHVDCPの最大出力電流を決定することができます。QC 3.0をサポートするクラスA HVDCPの出力を調べるには、領域A（6V未満）と領域B（6V以上）で区切られた2つのパワープロファイル機構（図5）を調べる必要があります。連続モードでは、3.6～6Vの電圧で最大3Aの出力電流を供給できることがわかります。つまり、このHVDCPは最大18W（6V/3A）のワット数を供給することができます。

電圧が6Vを超えると、電流は減少し、総ワット数は最大ワット数以下に維持されます。以下に示す2つの電力プロファイルは、電流の減少の仕方が異なることを表しています。図5では、電圧の上昇に伴って電流が段階的に減少し、ワット数は最大値に達していません。一方、図6では、電圧の上昇に伴い、電流は最大ワット数を維持したまま滑らかに減少しています。

HVDCPがB領域で動作するためには、電圧がA領域に切り替わったときに、最大出力電流である3Aに戻る必要があります。

図5：クラスA HVDCPのパワープロファイル

図6：クラスA HVDCPの定電力プロファイル

HVDCPの制限値を超える電流が流れるとどうなるのか

携帯端末の消費電流が、パワープロファイルで定義された特定の電圧でHVDCPが供給できる最大電流を超えると、HVDCPは "Collapse "として知られる保護メカニズムを開始します。Collapseでは、HVDCPは電圧出力をある閾値（表3に示す）以下に下げ、TGLITCH_UVLO（20ms）の間それを維持します。これにより、その電圧でHVDCPが供給できる最大電流を超えたことが携帯端末に通知されます。Collapseが発生すると、ポータブル機器がHVDCPの電力プロファイル内に収まるレベルまで電力需要を減らすまで、HVDCPは出力電圧の切り替えや出力電流の減少を行うことができません。

表 3：VBUS Collapse閾値

Qualcomm Quick Chargeの仕様一覧

Qualcomm社が開発したQuick Charge 2.0および3.0急速充電仕様は、包括的な電力供給メカニズムを含み、従来のBC1.2仕様の7.5W（5V 1.5A）と比較して最大60W（20V 3A）の電力供給能力を大幅に向上させました。BC1.2アーキテクチャでは、携帯機器がHVDCPを検出し、5V、9V、12V、20VなどのD+/D-電圧を調整することで異なる電圧要件を要求していましたが、QC 3.0ではD+/D-パルスを使用して電圧ステップ調整を実現することができます。携帯機器がHVDCPから特定の電圧で供給できる最大電流を超える電流を引き出すたびに、HVDCPは電圧を特定の閾値（表3参照）以下に下げ、TGLITCH_UVLO（20ms）を維持して携帯端末に電源能力を通知する完璧なCollapse機構を備えています。

GRLでQuick Charge製品のテストと認証

GRLは、Qualcomm社から認定を受けている第三者機関として、Quick ChargeテストサービスおよびQuick Charge自動テストソリューションを提供しております。また、USBインターフェースや充電技術に特化した専門家も在籍しており、USB PD認証試験サービスを提供することが可能です。充電技術の仕様に関するお問い合わせやサポートが必要な場合は、弊社が対応いたします。どうぞお気軽にお問い合わせください。

参考資料

1. High Voltage Dedicated Charging Port, QuickCharge 2.0 Interface Specification, March 27, 2014
2. High-Voltage Dedicated Charging Port, Qualcomm® Quick Charge™ 3.0 Interface Specification 2017