USB PD はなぜ5Vから始めるのか

いきなり20Vを出さない理由

USB Type-C のコネクタは、5V 0.5A しか受け取らない機器にも、20V 5A のノートPCにも、表裏どちらの向きでも刺さります。そのためソースは、差された瞬間には相手が何ボルトまで耐えるか分かりません。

そこで USB PD は順番を固定しています。まず 5V（vSafe5V、4.75〜5.5V）だけを出し、相手と話がついて明示的に要求されたときだけ電圧を動かします。電圧が上がるのは常に、シンクが自分から要求したあとです。

通信の前に、抵抗だけで決まること

最初の段階に通信はありません。CC1 / CC2 の抵抗の分圧だけで、接続の有無、ケーブルの向き、5Vで流していい電流が決まります。

ソースは CC を Rp でプルアップし、シンクは Rd = 5.1kΩ でプルダウンします。CC が引き下げられたほうが結線されている側で、これで向きが決まり、CC の電圧がそのまま「5Vで何アンペアまで取っていいか」の広告になります。

このため、PDのICを載せなくても5V 3Aまでなら取れます。

eMarker 入りのケーブルは Ra（800Ω〜1.2kΩ）でもう1本の CC を引き下げ、ソースはそこを VCONN として給電してチップと話します。5A には eMarker が必須です。

交渉の順番

5Vが出たあとは、CC 上のメッセージで進みます。

1. Source_Capabilities：ソースが出せる電圧と電流の一覧（5V/3A、9V/3A、20V/5A…）を送る
2. Request：シンクが一覧から1つ選んで要求する
3. Accept：ソースが受理する。この時点では電圧はまだ動いていません
4. PS_RDY：電圧が新しい値に落ち着いたあとで、ソースが「準備できた」と送る

時間の制約もあります。返事を待つ tSenderResponse は 24〜30ms（PD 2.0）／27〜33ms（PD 3.0）、Accept を送ってから電圧を動かしはじめるまでの tSrcTransition は 25〜35ms、電圧遷移を終えるまでの tPSTransition は最大 550ms です。

電圧が動くのは Accept と PS_RDY のあいだで、この区間シンクは「古い契約と新しい契約の、電流の小さいほう」まで負荷を落とさなければなりません。20Vを要求した直後に全力で電流を引くと、ソースは電圧を持ち上げられません。

上げるときと、下げるとき

上げるときはソースが VBUS と入力コンデンサを充電するので、時間はソースの設計で決まります。

下げるときが厄介です。ソースは電流を出せても吸い込めるとは限らず、20Vから5Vへ落ちる速さは VBUS の総容量と負荷が引いている電流で決まります。シンクが省電力に入って数mAしか引いていなければ、電圧はなかなか落ちません。

電圧を下げられるソースにはだいたい放電回路（VBUS を引き下げるFET）が入っていて、省くと軽負荷のときだけ tPSTransition に間に合わない、再現しにくい不具合になります。

検証では軽負荷での降圧を必ず見てください。重い負荷では勝手に落ちて問題が隠れます。

交渉が壊れたときの Hard Reset

交渉がうまくいかなくなったときは、途中から復旧せず最初からやり直します。これが Hard Reset です。

ソースは VBUS を vSafe0V（0.8V以下）まで 650ms 以内（tSafe0V）に落とし、tSrcRecover（660〜1000ms）待ってから vSafe5V で再スタートします。電源が1秒近く切れるので、「PD対応の機器をつなぐと、ときどき再起動する」症状はたいていこれです。

入力コンデンサへの突入電流

5Vから20Vへ上がるとき、シンクの入力容量には ΔV ぶんの充電電流が流れます。100µF で 15V 上がると電荷は 1.5mC で、550ms かけて上げるなら平均 2.7mA、ソースのスルーレートが速ければ瞬間の電流はずっと大きくなります。

設計で見落としやすい点

• 5V用の回路には20Vを見せません。PDコントローラの PS_RDY 相当の出力で負荷スイッチを入れ、要求した電圧が来てから後段を投入します。
• eMarker の無いケーブルは3Aまでです。20V 5A（100W）を想定した設計で、手元のケーブルが3Aだったという取り違えはよくあります。
• PPS（Programmable Power Supply）では 20mV 刻みで電圧を指定でき、負荷側から見ると電圧が動く電源になります。
• PD 3.1 の EPR は 28V / 36V / 48V を追加し（最大 240W）、SPR（20Vまで）とは入り口の手順から違います。