「Type-Cはコネクタが小さいのに、なぜType-Aより早く充電できるのか？」
近年スマートフォンやUSB Type-Cの普及により見かけるようになった「急速充電」
これはUSB Type-C機器がUSB Power Delivery(USB PD)に対応していることで急速充電が実現しています。
一見すると不思議ですが、その理由はコネクタの種類ではなく、USB規格そのものの進化にあります。
今回はUSB充電規格の歴史を追いながら、その仕組みを分かりやすく解説します。
USB-Aはもともと「充電用」ではなかった
『USB』の誕生は1996年。
USB Type-Aが誕生した当初の目的は「マウス」「キーボード」「プリンター」などの周辺機器を同一規格で接続できるようにすることでした。
その際に規定されたUSB-A(USB1.0規格)の電力は
までしか供給しない仕様となっています。
つまり、最大でも
5V × 0.5A = 2.5W
しか送れない規格でした。
スマホの普及によりUSBケーブルの用途はさらに拡大し「もっと速く充電したい」というニーズが生まれました。
こうして2010年に誕生した規格が「USB Battery Charge Specification(USB BC）」です。
規格の対象となるコネクタは「USB-A または USB-B」。
USB BCでは、データ通信で使用する信号線を利用して、
「私は充電器ですよ」
という情報を伝えています。
代表的な接続方法は3つ。
- 信号線にかかる電圧を制御して識別する方法。
- 信号線のD+線/D-線を200Ω以下の抵抗で接続する方法。
- 信号線のD+線/D-線を短絡（ショート）する方法。
USB BCに対応した充電器がこれを検出すると、
「PCではなく充電用だから1.5Aまで流しても良い」
と判断します。
重要なのは、この仕組みは充電器側と機器側側だけで成立しているという点です。
※昔、充電用USBケーブルってよく見かけましたよね。あれはUSB BC専用ケーブルでした。
さらに高速充電を実現したのが、Qualcomm (https://www.qualcomm.com/) が策定した急速充電規格「USB Quick Charge(USB QC)」です。
規格の対象となるコネクタは「USB-A または USB-B または USB Type-C」。
USB QCでは信号線D+とD-に様々な電圧を印加することで、5Vよりも高い電圧を引き出せるようになりました。
つまり、
「電流を増やす」だけでなく、
「電圧も上げる」ことで充電速度をさらに向上させています。
これも基本的にはケーブルへ特別なICを内蔵する必要はありません。
USB Type-C規格は専用の通信線が追加
USB Type-C最大の特徴は、
CC（Configuration Channel）
という通信線が追加されたことです。
従来のUSB-Aでは信号線で充電速度を制御していましたが、Type-Cでは役割が分離されました。
USB-A(D+/D-）：信号線にかかる電圧で出力電力を制御
USB-C(CC線）：機器側/ケーブル/デバイス側で情報をやりとりし、充電・接続方向・役割の交渉
このCC線を利用した急速充電規格こそUSB Power Delivery（USB PD）です。
規格の対象となるコネクタは「USB Type-Cのみ」。
では、なぜUSB-Cは大電力を流せる？
今までの話を振り返ると「USB-A規格は大電力を送る想定ではなかった」という背景が根底にあります。
ですが、USB-Aコネクタに対応した急速充電規格「USB QC」は「最大20V（QC3.0以上）」まで流せるようになっており、実はUSB PD3.0と供給能力に大差ありません。
では、どうしてUSB-Aで大電力を流す機器が普及していなかったのでしょうか？
それは「安全性」に違いがあります。
ここで誤解されやすいのが、
「Type-Cだから大電力を流せる」
という考え方です。
USB PD対応機器ではCC線を介して、
「この充電器なら20Vまで対応しています」
「この機器は65Wまで受けられます」
「このケーブルは5Aまで流せます」
とお互いが確認し合った上で電力を制御しています。
つまり、
USB Type-Cというコネクタ形状が大電力を流せるのではなく、USB PD規格によって大電力を安全に制御しているから。
USB QCにもいくつか安全回路は備わっているものの、「そのケーブルは安全か？」を識別する方法はありませんでした。
ケーブルともネゴシエーションを行うメリットは「電線の発熱」を予防することができます。USB-A/USB-Bはケーブルの仕様に関わらず大電力を流してしまう場合があるので、USBケーブルの状態や仕様によってはコネクタ損傷や発熱の原因になりかねませんでした。過度な発熱は銅線の劣化を促し、断線要因にもなってしまいます。
※そのせいか、USB-A/USB-Bの急速充電規格はあまり導入されておらず、世間的にはUSB3.0(5V/900mA)を大容量ケーブルとして扱っていることが多かった印象です。
これに対し、USB PDはCC線で機器側・ケーブル側・充電器側の3方向でネゴシエーションが行われます。
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100%正しい表現とは言えませんが、あくまでイメージとして。
パターンCはOTG接続などイレギュラーな場合が想定されますね。
※画像をクリックすることで拡大できます。 |
といった感じで、機器側が要求しても必ず電力が送れるわけではなく、安全に電力供給が行われるよう3方向で管理されているのが最大の特徴です。
USB PD機器の充電制御は充電器やモバイルバッテリーに内蔵されている制御ICが電力を管理している状態です。決して一方的な命令で電力供給がスタートすることはありません。
USB Type-Cは安全に大電力を扱えるよう規格が策定されているため、ハードメーカーを筆頭にType-Cを使った電力供給が普及してきているのでしょう。
つまり、Type-Cの方が大電力が流せるように見えるのは、USB-Aが大電力を流せないわけではなく、
「USB Type-Cは、USB-Aよりも安全に運用できるから」というのが現状です！
※今更USB-A/USB-Bに戻るか？と言われたら、、、もう戻らないでしょうね😅
まとめ
「USB-A/USB-B」と「USB Type-C」の違いを、分かりやすく比較表にしました。
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項目
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USB-A/USB-B
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USB Type-C
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標準充電
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5V・500mA
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5～20V・最大5A
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充電交渉
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信号線(D+・D-)
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CC線
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急速充電
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BC、QC
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USB PD
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ケーブル識別
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基本なし
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eMarkerで識別可能
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最大電力
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数十W程度
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最大240W
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※USB Type-CもQC規格に対応している場合はありますが、前述の通りUSB PDを中心に考えた方が安全でしょう。なので、Type-CにおけるQCはあくまでオマケになりますね。
USB Type-Cは安全に利用できるよう規格化が進んでいるのですが、やはり粗悪品の流通も後を絶ちません。
規格が複雑化しているのに見た目だけでは仕様を判別できない問題も顕在化しています。
そんな時には「USBケーブルチェッカー」があると安心して運用できますよ。
※高スペックは太かったり硬かったり、柔らかいと仕様に制限があったり、シリコンケーブル系だと埃がつきやすかったりするので、自分にとって最適なケーブルを探すことが大切ですね。
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以上、原田でした。
※USBも歴史が長いので、もし誤植や補足などあればコメントで教えてください！👋
