チュートリアル 5801

USBバッテリ充電(BC)仕様1.2の概要とアダプタエミュレータの重要な役割

筆者: Mohamed Ismail

要約: 自宅で、自動車内で、あるいはコンピュータに接続したとき、USB給電式のポータブル機器は、通常動作時と充電時の両方で適切な電力使用量を決定するためのスマートな方法を必要とします。ポータブル機器の膨大な種類、USBポートの違い、および充電式バッテリの複雑性が動機となって作られたUSBバッテリ充電(BC)仕様1.2は、USBポートからバッテリに充電する適切な方法を確立するための非常に重要な標準規格です。しかし、BC1.2仕様ができた後も、一部のポータブル機器メーカーは依然として独自のチャージャを実装しており、USBバッテリ充電の分野がさらに複雑化しています。この記事は、USBバッテリ充電に関する最近の業界標準の勢いと、それぞれが定義している仕様について解説します。また、さまざまな独自規格のポータブル機器に対する大電流充電が可能なUSBポートを実装するための簡素な方法も提示します。

同様の記事が2014年2月に「Electronic Specifier」に掲載されました。

はじめに

足を止めて辺りを見回してください。おそらく、ポータブル機器を使っている人が見つかるはずです。自宅で、自動車内で、あるいはコンピュータに接続したとき、USB給電式のポータブル機器は、通常動作時と充電時の両方について適切な電力使用量を決定するためのスマートな方法を必要とします。ポータブル機器の膨大な種類、USBポートの違い、および充電式バッテリの複雑性が動機となって、2010年に発表されたUSBバッテリ充電仕様1.2 (通称BC1.2、www.usb.org/developers/docs/devclass_docs/を参照)は、USBポートからバッテリに充電する適切な方法を確立するための非常に重要な標準規格です。しかし、BC1.2仕様ができた後も、一部のポータブル機器メーカーは依然として独自のチャージャを実装しており、USBバッテリ充電の分野がさらに複雑化しています。

この記事は、USBバッテリ充電に関する最近の業界標準の勢いと、それぞれが定義している仕様について解説します。また、さまざまな独自規格のポータブル機器に対する大電流充電が可能なUSBポートを実装するための簡素な方法も提示します。

バッテリ充電規格の必要性–BC1.2以前
USBが広範囲に採用されたのは、周辺機器に給電する機能を備えていたためです。1990年代半ばに考案されたUSBは、当初は外部装置(たとえば、キーボード、マウス、プリンタ、外付けドライブなど)をコンピュータに接続することを目的としていました。様々な種類のポータブル製品が人気を集めるにつれて、それらに給電する必要性も増大しました。データ伝送に使用されるものと同じコネクタからの給電が可能であることによって、USBはポータブル市場において直ちに大幅な優位性を確保しました。

2007年に最初のバッテリ充電仕様が発表されるまで、バッテリ充電の試みは基本的に賭けであり、結果は予想困難でした。2000年のUSB 2.0 (www.usb.org/developers/docs/usb20_docs/)では、明示的なネゴシエーションによって電流を500mA (max)に増大させない限り、周辺機器はデフォルトで100mAを消費可能になりました。遅延時間が経過してもバス上のデータアクティビティがなかった場合、バスは「サスペンド」モードに移行し、利用可能な電流が2.5mAに制限されます。バッテリが完全に消耗したポータブル機器で標準ポートからの充電を試みると、高信頼性で使用可能なのは2.5mAのみとなります。

現実には、多くの電子機器メーカーが今でもUSB 2.0仕様を厳格に遵守しておらず、自社製品で提供するUSBポートにこれらの電流制限を実装していません。一部の(実際には、ほとんどの) USBポートはエニュメレーションおよび継続動作と無関係に100mAの使用を許可し、中には必要な電力ネゴシエーションを無視して500mAを提供するポートもあります。一部のポータブル機器はアプリケーション用に100mA以上を必要とし、USBポートから常に500mAを利用することができるという誤った前提で動作します。

適切な充電方式は、どの電力レベルをUSBポートから取り出しても安全かをポータブル機器に伝える方法を知っている必要があります。非常に論理的ながら、以前のUSBのあいまいな「情勢」(想定を超える電流が引き出された場合、USBがどのように反応するか)には大きな問題がありました。一部のポートは完全にシャットダウンし、周辺機器が取り外されて再接続されるまでシャットダウン状態のままになります。その他のポートはUSBシステムリセットを発行し、エニュメレーションプロセスを再スタートします。

BC1.2の登場
バッテリ充電は、USBが最初から備えていた機能ではありません。そのため、BC1.2以前は、パワーオフされた機器のバッテリの充電に関する公式な規定は存在しませんでした。BC1.2で、USBポートの電力能力を伝える明確な方法を確立することによって、これらの問題の多くが改善されました。

充電が可能なバッテリに使用される材質が何であろうと、動作中および充電時にそれぞれのタイプが特別な判断を必要とします。たとえば、リチウムイオンバッテリのメーカーは最小放電レベルを規定することがあります。このスレッショルドを超えて深く消耗したバッテリは、フル充電を開始する前にプリコンディショニングモードで充電する必要があります。バッテリが公称状態に達した後は、より大きい充電電流を使用して充電時間を短縮することができます。これはしばしば定電流モードと呼ばれます。バッテリがほぼ満充電になると、定電流モードの継続が有害になる可能性があります。スマート充電ソリューションでは、定電圧モードに切り替えて充電を「満タン」にします。バッテリの性質は複雑で、安全な充電のためにはケースバイケースのカスタム化が必要なため、今日のほとんどのポータブル機器は最終製品に専用のバッテリ充電コントローラを内蔵しています。

BC1.2の追加の優位性として、デッド(死んだ)またはウィーク(弱った)バッテリの充電に関する規定があります。ポートのタイプに関わらず、「ウィークバッテリスレッショルド」以下のバッテリを2.5mAのサスペンド電流より大きな電流で充電することが可能です。バッテリが公称レベルに達した後、エニュメレーションを必要とするUSBポートからより大きい電流の取り出しを維持するには、特定のタイムフレーム内にデバイスがエニュメレーションを行う必要があります。

すべてのポートが平等ではない

BC1.2は、3種類のUSBポートのタイプと、2つの重要な名称について概説しています。「チャージング」ポートは、500mAより大きい電流を供給するポートです。「ダウンストリーム」ポートは、USB 2.0に従ってデータを伝えます。また、BC1.2仕様では、各ポートが最終デバイスにどのように見えるべきか、およびどのタイプのポートが実装されているかを示すプロトコルも確立しています。3つのUSB BC1.2のポートタイプは、SDP、DCP、およびCDPです(図1を参照)。

    1. スタンダードダウンストリームポート(SDP) このポートは、D+とD-の両方のラインに15kΩのプルダウン抵抗を備えています。電流制限は上記の通りで、サスペンド時は2.5mA、接続時は100mA、接続時でより大電力に設定されている場合は500mAです。
    2. デディケーテッドチャージングポート(DCP) このポートはデータ伝送をまったくサポートしませんが、1.5Aを超える充電電流を供給することができます。D+ラインとD-ライン間は短絡されています。このタイプのポートは、エニュメレーション不要で大電流充電機能を備えたACアダプタやカーチャージャを可能にします。
    3. チャージングダウンストリームポート(CDP) このポートは、大電流充電とUSB 2.0完全準拠のデータ伝送の両方に対応します。D+とD-の通信に必要な15kΩのプルダウン抵抗を備え、充電検出フェーズで使用される回路も内蔵しています。この内部回路によって、ポータブル機器はCDPを他のポートタイプと区別することができます。

図1. USB BC 1.2で概説されているポートタイプ 図1. USB BC 1.2で概説されているポートタイプ

ありがたいことに、DCPは非常に簡素な形で電気的にエミュレートすることができます。D+およびD-は相互に短絡され(BC1.2仕様は両者の間のインピーダンスを200Ω (max)と規定しています)、これらのラインはグランドに対してフローティングのままです。DCPを識別するためにポータブル機器が行う必要のある処理は、D+またはD-のいずれかを信号で駆動し、もう一方のラインに同じ信号が現れるかどうかを観察することです。実際、BC1.2のポート識別手順はまさにこれを行います。ポータブル機器は、D+上の電圧を設定してD-を測定し、次にD-上の電圧を設定してD+を測定します。セットアップがこのように簡素であるため、USBコネクタを備えたACアダプタの設計は非常に容易なはずです。必要なのは、コネクタ上の2つの端子を短絡させ、5Vで2Aを供給可能な既存のACアダプタにそれを追加することです。本当に? 実は少し違います。

BC1.2仕様が利用可能になった現在も、一部の電子機器メーカーは自社の専用チャージャ用に独自プロトコルを開発しています。それらのメーカーの機器をBC1.2完全準拠のチャージングポートに接続すると、「このアクセサリの充電はサポートされていません」というエラーメッセージが出力される可能性があります。このメッセージにも関わらず、実際にはそれらの機器の充電が行われる場合もありますが、充電電流は非常に小さくなります。幸いなことに、これらの独自規格の専用チャージャのほとんどは、5Vとグランド間の抵抗分圧器によってD+およびD-ライン上に設定されるDCレベルで識別可能です(図2)。

図2. さまざまなメーカーのデディケーテッドチャージングポート 図2. さまざまなメーカーのデディケーテッドチャージングポート

幸い、これらのさまざまなメーカーの機器とBC1.2に準拠した機器を最適な形で充電する、スマートで低コストのソリューションがあります。

ポート検出は必須

USBチャージャアダプタエミュレータ
USBチャージャアダプタエミュレータは、専用チャージャをBC1.2 DCPまたは他の独自規格のチャージャに見せかけることを可能にするデバイスです。チャージャアダプタエミュレータは、接続された機器のタイプを検出するための独立した制御ユニットを追加することなく、動的な要素をACアダプタ型チャージャに提供します。多くのチャージャアダプタエミュレータは、さまざまなチャージャ識別プロファイルをハードウェア設定で選択することが可能です。その他のものは、接続されたポータブル機器のタイプを検出する自動検出回路を備え、メーカー固有の抵抗分圧器または標準化されたBC1.2 DCPモードへの切り替えを行うことができます。

ACアダプタへの内蔵に便利で有効とするために、USBチャージャアダプタエミュレータは小型プロファイルで少ない外付け部品を特長とする必要があります。たとえば、MAX14630/MAX14632は、USB BC1.2準拠の機器、Apple 1.0A機器、Apple 2.1A機器、またはSamsung® Galaxy Tablet 2A機器を自動検出するように設定可能なチャージャアダプタエミュレータです。これらのUSBアダプタエミュレータは、それぞれ1つのバイパスコンデンサのみを必要とし、2.90mm x 1.60mmのパッケージで提供されます。図3の回路は、Apple 1AおよびUSB BC1.2準拠の機器と互換性のある1つの専用チャージャシステムの簡単な実装例です。このアダプタエミュレータは、デフォルトでは抵抗分圧器をデータラインに接続しますが、USB BC1.2機器を自動的に検出し、BC1.2仕様に従ってD+とD-を相互に短絡することができます。AC-DC 5V電源との組合せで、アダプタエミュレータを使用して適切な電流制限を伝えることによって、さまざまなポータブル機器を最適な形で充電することが可能です。

図3. USB BC1.2/Apple 1A機器を自動検出するDCPの例。この設計は、MAX14630/MAX14632 USBチャージャアダプタエミュレータを使用しています。 図3. USB BC1.2/Apple 1A機器を自動検出するDCPの例。この設計は、MAX14630/MAX14632 USBチャージャアダプタエミュレータを使用しています。

デディケーテッドチャージャは、比較的簡素な装置です。チャージングダウンストリームポートは、USB 2.0のデータレートと最大1.5Aの充電電流を扱う機能をサポートするため、より複雑になります。デディケーテッドチャージャとの違いとして、CDPはBC1.2で概説された内部回路を備えており、ポート検出フェーズで、D+を駆動するポータブル機器の検出時にD-ラインを特定の電圧に駆動することができます。この内部回路は、ポート検出時のみオンとし、オフ時にはバスに対して規定の量の寄生容量のみを与えるようにする必要があります。これらの制限はUSB 2.0仕様によって規定されており、ハイスピードUSB通信を保証する回路パラメータが概説されています。

ポート検出フェーズの後、BC1.2に準拠したCDPは上記の内部回路を切り離し、通常のUSBデータ伝送が可能になります。興味深いことに、CDPの場合、DCPでは発生しないデジタルノイズマージンという問題があります。USB 2.0によると、100mAのグランド電流がUSBケーブルを通過する場合、その結果ホストのグランドとデバイスのグランド間に25mVの差が発生する可能性があります。電流は最大1.5Aになるため、BC1.2に準拠したCDPとポータブル機器の両方が、デバイスからホストへのグランドオフセットが最大375mVでもデータを解決することができる必要があります。これらの重要な問題から得られる教訓は、無計画にCDPを作ることはできないということです。十分に注意して適切な動作を確保する必要があります。

USBホストアダプタエミュレータ
USBホストアダプタエミュレータは、480Mbpsの完全USB 2.0トラフィックを扱うことができるハイスピードUSBアナログスイッチと、USBチャージャアダプタエミュレータ回路を組み合わせたものです。DCPおよび独自チャージャプロファイルに加えて、ホストアダプタエミュレータは、BC1.2で概説されているように、SDPおよびCDPパススルーモードに設定することができます。CDPパススルーモードでは、デバイスが最初に接続されたとき、デバイスはCDPの機能をエミュレートします。次に、通常のUSB 2.0トラフィックをサポートするため、充電検出フェーズの後、D+およびD-ラインの制御をUSBホストトランシーバに引き渡します。

このクラスのデバイスは高い設定自由度を備えているため、ホストアダプタエミュレータは特にコンピュータに最適です。たとえば、コンピュータが電源に接続されたとき、そのホストアダプタエミュレータをCDPとして設定することによって大電流USBチャージングポートを実現することができます。ラップトップのバッテリ電源で動作する場合、コンピュータはアダプタエミュレータを標準USBポート設定に切り替えて、引き出される電流を500mA (max)に制限することができます。アダプタエミュレータをデディケーテッドチャージャに再設定することによって、ラップトップがパワーダウンされ、しかし電源には接続されているときにも、USBポートからの大電流充電を提供することができます。

ホストアダプタエミュレータの重要な考慮事項の1つは、それらが再設定されたときにUSBバスをどのように扱うかということです。1つの状態から別の状態への切り替えを不適切に行うと、下流のUSB機器で障害が発生する可能性があります。そのため、充電の設定には多くの場合バスリセットまたは電流制限の切り替えが含まれます。たとえば、MAX14640MAX14641MAX14642MAX14643、およびMAX14644の各デバイスは、SDPパススルー、CDPパススルー、DCP、Apple 2.1A、およびSamsung 2Aの各モードのサポートに加えて、下流のデバイスがホストで行われた変更に気付くことを保証するためにバスリセットを発行します。また、これらのデバイスは、ホストトランシーバがI2Cを介してアダプタエミュレータを再設定したときやスタンバイに移行したときにポータブル機器をリセットする自動電流制限切り替え制御出力も備えています。

上記のチャージャおよびホストアダプタエミュレータは、個別の電源(ACアダプタまたはコンピュータの電源)と組み合わせるように設計されています。家庭内およびコンピュータの近くの他に、USB機器の充電が行われる第3の一般的な場所が、自動車の中です。自動車内の最も一般的な補助電源アウトレットは12V DCを供給するもので、特殊な例として24V DCを供給するものもあります。しかし、この電圧はさまざまな動作環境によって大幅に変動します。温度によるバッテリ電圧の変化を考えると、実際に供給される電圧はわずか9Vから28Vにも達する場合があり、最大40Vの一時的サージが発生する可能性もあります。カーチャージャやナビゲーションシステムなどの一部のUSBポートアプリケーションでは、USB電源に必要な5Vを生成するために、車載認定のUSBチャージャ/ホストアダプタエミュレータと堅牢なDC-DCコンバータの両方が必要になります。

アダプタエミュレータを使うと、ESDによる損傷の可能性、USBラインの短絡、またはバッテリ短絡からホストUSBトランシーバを絶縁するという追加の優位性が提供されます。DC-DCコンバータは、広範囲の入力電圧にわたって適切な動作を保証する必要があります。カーバッテリーを温存することは非常に重要な機能であるため、適切に設計されたコンバータは調整可能な電流制限回路を内蔵しています。さらに、自動車の充電システムは出力電流を検出し、この診断データを制御ユニットに通知する必要があるため、電流検出アンプが必要です。MAX16984は、DC-DCコンバータ、ホストアダプタエミュレータ回路、ESD保護、および電流検出アンプを1つのICソリューションに内蔵することに専念した製品クラスの例です。MAX16984は4.5V~28Vの入力用に設計され、最大42Vのロードダンプ過渡からの保護を備えています。VBUS電圧を監視するための抵抗フィードバック回路と、接続されたUSB機器への電流を監視するためのハイサイド電流検出アンプのサポートを内蔵しています。そしてもちろん、このデバイスはUSB BC1.2準拠の回路を備え、ハイスピード(480Mbps) USBデータに対応し、Apple 1A/2.1Aチャージャをエミュレートすることができます。

図4. MAX16984を使用したUSBホストチャージャアダプタ回路内蔵高集積DC-DCステップダウンコンバータ 図4. MAX16984を使用したUSBホストチャージャアダプタ回路内蔵高集積DC-DCステップダウンコンバータ

まとめ

USB BC1.2規格は2010年に定義され、パワーオフされているポータブル機器のバッテリ充電について直ちに規定しました。また、デッドまたはウィークバッテリの充電に関する規定も追加されました。3種類のUSBポートのタイプが定義され、それぞれについてこの記事で説明しました。USB BC1.2規格を遵守することによって、USBポートは自身の給電能力をUSB給電式ポータブル機器に伝えることができます。広範なポータブル機器に対して、バッテリ充電を安全に行うことが可能です。最後に、USBアダプタエミュレータの開発によってUSBポートの設計に大幅な設定自由度が追加されました。

充電専用のUSBポートの場合、新しいチャージャアダプタエミュレータによって互換性のある接続可能機器の数が増加します。コンピュータに内蔵されたUSBポートに対するさまざまな要件などの動的なアプリケーションにおいて、ホストアダプタエミュレータは簡素化された設計を提供します。過酷な車載環境では、内蔵DC-DCコンバータおよびアダプタエミュレータによって、不安定な電圧レベルの管理、コストの削減、およびスペースの節約が可能になります。

参考文献

  1. USB-IF、2010年12月7日、「Battery Charging Specification Revision 1.2
  2. L. Sherman著、マキシムのアプリケーションノート4803 「USBバッテリ充電の基礎:サバイバルガイド
  3. L. Sherman著、マキシムのアプリケーションノート3241 「USB電源を使ったバッテリ充電
  4. channelE MAGAZINE FOR ELECTRONICS、2011年10月25日、D. Simion著、"Emulators and Detectors for USB Battery Charging: Industry Migrates to a Global Standard"」
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