By GRL Team on 6月 22, 2021
USB,

USBパワーデリバリ3.1の紹介

Granite River Labs, GRL
Cindy Chang 張文馨

 

パワーデリバリ3.0に続き、2021年5月にUSB-IFによってパワーデリバリの新しい仕様が導入され、パワーデリバリ 3.1 仕様 (USB Power Delivery Specification Revision 3.1, Version 1.0) がリリースされました(以下、PD 3.1 Specと表記します)。
PD 3.0電源の最大電力を100Wから240W(48V 5A)に拡張するEPR(Extend Power Range)機能が新仕様で追加され、その電源要件と動作がドキュメントに定義されています。 以下に、PD 3.1 Specと新機能であるEPRについて概説します。

PD3.1電源仕様

PD 3.1 Specでは、従来PD 3.0の電源仕様は、SPR (Standard Power Range)として包含されています。 SPR PDO、SPR APDOと呼ばれ、上限値100Wで PD3.0 Specと同じです。
PD3.1 Specでは、オプションでEPR機能が追加され、電源の最大ワット数を100W~240Wに拡大することができます。 表1にEPR電源仕様を示します。 

 

EPR PDOを含んだ現在の仕様:

1. Fixed PDO:定電圧出力。EPRモードで20Vを超える固定PDO(28V、36V、48V)

2. AVS (Adjustable Voltage Supply) APDO:AVS (Adjustable Voltage Supply) APDO: EPRモードにおいて,出力電圧をワット数に応じて最小15Vから最大28V,36V,48Vまでの範囲で可変(表2)。

AVSはPPS機能と似ていますが,電流制限動作に対応していないことと、出力電圧可変ステップは、100mV (PPSは20mV)。

圖片1-5-768x247-1

表 1:EPR電源仕様(Source: PD 3.1 Spec)

 

圖片2-3-2

表 2:AVS 電圧範囲(Source: PD 3.1 Spec)

 

具体例

1.最大出力140Wの場合、以下の条件を満たす必要があります。

  • SPR Fixed PDO: 5V@3A~5A 、9V@3A~5A、15@3A~5A 、20V@5A
  • EPR Fixed PDO: 28V@5A
  • AVS APDO 15V~28V@140W

2.144W出力の場合、以下の条件を満たす必要があります(表1の2列目の電力範囲)。

  • SPR Fixed PDO: 5V@3A~5A、9V@3A~5A、15@3A~5A、20V@5A
  • EPR Fixed PDO: 28V@5A、36V@4A
  • AVS APDO: 15V~36V@144W

*AVS APDOの表記だけがなぜ他と違うのか不思議に思われるかもしれません。下記表3を参照すると、最大電流はフィールドに記述されておらず、ワット数で表現されています。これはAVSの動作電流がワット数で制限され、現在の動作電圧によって変化するため、電流は固定値ではなく、ワット数を参照する必要があるからです。

圖片3-4-1

表 3:AVS APDOフォーマット(Source: PD 3.1 Spec)

 

144Wの例で、動作電圧28.8V~36Vの場合のAVS APDOの電流条件は、以下の図1を参照してください。 図中の青い部分がAVSの動作可能範囲を示しており、2つのゾーンに分けて説明することができます。

1.黄色文字で表示されたゾーンAは、最大ワット数、すなわち表1の最初の記述である15V~28.8V@5Aを超えない範囲で、5Aの電圧範囲内で動作させることができます。

2.緑色文字のゾーンBはワット数の制限を受け、動作電流は電圧に依存するため、 Current = 144/AVS voltage (A) で表されます。

圖片4-6-1024x525-1

図1 AVS電源モードの電圧-電流範囲(Source: PD 3.1 Spec)

 

表1のN/Aの部分が厳密には対応していない点に注意してください、つまり140W以下の製品では36Vと48Vに対応しておらず、180W以下の製品では48Vに対応していない点です。

複数のポートに電力を供給する場合には、 「Shared Capacity Charger」として設計されますいます。 総電力の一部を使用した場合,残りのポートで使用できる電力は,使用した分を差し引いたあまりの電力量が割り当ての対象となり,このとき実際に使用できる電力量をEquivalent PDP Rating と呼びます。設定条件は下表(表4)を参照してください。

圖片5-4-1024x702-1

表4 EPR Shared Capacity Power supplyモード対応条件 (Source: PD 3.1 Spec)

製品設計の一例を挙げます。 最大総出力ワット数は250Wで、2ポートを単独で使用する場合は、それぞれ160Wまで対応可能な製品を想定します。

  • 単独で使用する場合は,(5V@3A~5A, 9V@3A~5A, 15@3A~5A, 20V@5A, 28V@5A, 36V@4.44A, 15V~36V@160W) の仕様となります。
  • 片方のポートが100Wを使用した場合,もう片方のポートのEquivalent PDP Ratingは150Wとなり,このときの電源条件は次のようになります。5V@3A~5A、9V@3A~5A、15@3A~5A、20V@5A、28V@5A、36V@4.16A、15V~36V@150Wとなります。

 

EPR_Source_Capabilities

電源能力はSource_Capabilitiesに示されますが、EPRモードにも同じ概念が取り込まれ、PD 3.1 Specでは、EPR_Source_Capabilitiesを追加し、製品のEPR電源仕様をメッセージ内に含めることができるようになりました。

PD 3.1仕様では、下図に示すように、Data Objectの最初の7つのグループには、SPR PDOを記載します。 SPR PDOが7グループに満たない場合は、0を埋めます。

EPR PDO コンテンツはグループ 8 からグループ 13 に記載し、固定低電圧のPDOから固定高PDO 電圧、そして AVS APDO の順で記載します。

圖片6-3-1

図2 EPR Source Capabilities フォーマット (DP3.1 Spec)

 

EPRモードプロセス

EPRモードに入る前に、Source/SinkはExplicit PD Contractを確立する必要があります。 SourceとSinkは、両者間でSource CapabilitiesとRequestメッセージのやり取りを行い、それぞれEPRモードをサポートしているかどうかを通知します。 これにより両者が互いのEPRモード能力を確認します。 以下の手順を参照ください。

 EPRモードへ移行

1.Sink は Data Object を“Enter” にセットし、EPR_Mode メッセージを送信してEPR通信を要求します。(EPR_Mode Data Objectは、図3を参照してください。)

2.Sourceは、Sourc/Sinkともに、EPRモードをサポートしていることを確認し、EPR_Mode Data Objectを“Enter Acknowledged”にセットしSinkに送信します。 これで、SourceがEPRモードに入ることを許可していることを示します。

3.ケーブル製品に対しては、 “Discover ID Request”の送信により、ケーブルがEPRモード対応で最大電圧50V、最大電流5Aに耐えられることを確認します。

4.上記が全てOKであれば、SourceはData Objectを“Enter Succeeded”にセットしSinkに送信することで、EPRモードに正常に入り次のステップに進みます。

 

圖片7-1-768x761-1

上図3 EPR Mode Data Objectメッセージ(Source: PD 3.1 Spec)
下図4 EPR Mode Data Object(Source: PD 3.1 Spec)

 

 EPRモードにおけるPDネゴシエーション

1.Source は、“EPR_Source_Capabilities” を送信しEPR モードでの電源供給能力を通知する。

2.Sinkは必要なPDOを選択し、“EPR_Request”に記載してSourceに送信する。

3.Sourceは条件が満たされることを確認すると、“Accept”を返送し、電源の出力を設定した後、“PS_RDY”を送信してこの通信を完了する。

EPRモードでは、SourceはCCラインを監視しています。 アイドル状態が長く続くと、Sourceはハードリセットを開始し、EPRモードが中断されます。 そのため、SinkはEPRモードを維持するために“EPR_KeepAlive”メッセージを一定期間ごとに送信する必要があります。 このメッセージを受信すると、Sourceは“EPR_KeepAlive_Ack”を応答してEPRモードを継続します。

 

 EPRモードの終了

Source/Sinkは様々な要因でSPRモードに戻したい場合、EPRモードを終了する前に、少なくとも20V以下の定電圧モードに設定する必要があります。 これは以下の2つの方法で行われます。

1.送信元は再通信のために “EPR_Source_Capabilities” を送信するが、EPR PDO が含まれないことを通知する。

2.Sink は “EPR_Requst” を送信し、SPR PDO のみが必要であること、つまり EPR PDO は含まれないことをコンテンツに設定する。

上記2つの動作のいずれかが完了すると、電圧は20V以下に低下するはずです。 このとき、Source/SinkのいずれかがEPR_Modeメッセージ内のData Objectを“Exit”に設定して、EPRモードを終了することを示すします。 どちらかがこのメッセージを送信すると、SourceはPDコントラクトを再確立し、SPRモードに戻るために、tFirstSourceCap時間内にSource Capabilitiesを送信します。

 

圖片8-2-919x1024-1

図5 EPRモード通信プロセス例(図では“GoodCRC”を省いています)

 

Type-Cケーブル/コネクタのアップデート

現在、「Universal Serial Bus Type-C Cable and Connector Specification」がVersion 2.1に更新され、EPR機能が追加されています。この仕様では、すべての通信速度でEPR機能をサポートすることができます。

圖片9-1-2

表5 ケーブルカテゴリ(Source: Type-C Cable and Connector Spec)

 

  • EPRケーブル

(1)EPRケーブルは、E-Markerの搭載が必要

(2)E-MarkerはEPR Mode Capableビットをセットし、50V、5Aをサポートしていることを通知する必要がある

(3)EPRケーブルの使用電圧は53.65V以上であること

 

実験によると,以下の条件下で Vbus 端子が明らかに損傷することが判明しています。

(1) Source:電流の負荷が急になくなることで、電圧が急激に変化。

(2) Sink:受信側のVbus端子に長時間高電圧を印加。

(3) Cable:

a.Vbusのマイクロ秒単位での発振。
b.0.1~1μs以内の電流負荷の除去による、IR電圧の急激な減少。

 

まとめ

USB-IF は、PD 機能を向上させるために、継続的に新しいスキームを開発し、発表しています。EPRモードによる仕様拡張により、様々な製品に幅広く利用できるようになりましたが、より高いワット数の充電モードが提供されるため、従来のPD3.0よりも制約が多くなっています。例えば、EPRモードで選択できる電圧が従来と異なる、選択可能な項目が少ない、EPRモードのオペレーションモードに製品をインポートする必要がある、などです。安全性をより厳格にチェックし、製品間の互換性を高めつつ機能を拡充することが目的であり、今後インポートされる製品についても、この機能をしっかり評価し適用することが求められます。

 

参考文献

  • USB Type-C® Cable and Connector Specification Revision 2.0
  • USB Power Delivery Specification Revision 1.0 Version 1.2
  • USB Power Delivery Specification Revision 2.0 Version 1.3
  • USB Power Delivery Specification Revision 3.0 Version 2.0
  • USB Power Delivery Specification Revision 3.1 Version 1.0

 

著者
Cindy Chang, Test Engineer of GRL (Taiwan Province)
国立成功大学材料学部卒業。

 

質問・相談する

 

Published by GRL Team 6月 22, 2021