電力供給の最大化: 最大電力対応の240 W USB PDリファレンス設計ソリューション

USB Power Delivery (PD)標準は進化を続けています。最新のUSB PD 3.2仕様では、最大240W（48V、5A）の供給と消費をサポートしています。本記事では、USB PDの主なトレンドを論じ、2024年にUSB-Cを導入することが革新とみなされるのではなく、新しい設計で競争力を維持するための良いアプローチとなる理由を探ります。最後に、本記事では、Infineonの一次側および二次側コントローラー、統合USB-C PDを備えたEZ-PD™ PMG1高電圧マイクロコントローラー、およびInfineonのCoolGaN™パワートランジスタを用いた240Wをサポートする供給・消費ソリューションの概要を提供します。  

USBは現在、コンシューマーおよび自動車用途において広く認識されている規格セットであり、産業および電動モビリティセクターへ急速に拡大しています。1996年に初めて公式に発表されたUSB 1.0規格では、最大1.5 Mbpsのデータ転送速度と最大2.5 Wの電力供給をサポートしていましたが、現在では単一のUSB-Cケーブルを通じて驚異的な80 Gbpsおよび240 Wをサポートするまでに進化しました。それにもかかわらず、最近のショーでArrowのブースを訪れた来場者の約半数が、USB規格がすでに240 Wをサポートしていることを知り驚いていました。

USB Type-C標準コネクタの詳細についてさらに詳しく見てみましょう。このコネクタの大きな利点は、対称的なデザインによりインターフェイスがプラグ非依存であることです - どちらの向きで接続しても機能します。このコネクタは最大240Wの電力供給をサポートし、Alt Mode（Alternate Mode）として知られるモードを介してHDMI、DisplayPort、Thunderboltなどのプロトコルを対応しています。これらの機能が業界に大きな影響を与えています。

コネクタピンを図1で見ると、CC1ピンとCC2ピン（ケーブル構成ピンとして知られる）は、向きを制御し、それぞれの役割を決定するために使用されます。ソース電力の役割としての下流向きポート (Downstream Facing Port, DFP)、シンクの役割としての上流向きポート (Upstream Facing Port, UFP)、およびソースとシンク両方の役割を担うデュアルロールポート (Dual-Role Port, DRP) の3つの役割があります。CCピンのもう1つの機能は、ソースとシンク間で電力供給契約を交渉する際のデータ転送を促進することです。

USB 3.1からは、5Gbpsまたはそれ以上の速度に対応するRX/TXとラベル付けされた4つの差動ペアが使用され始めました。これらのラインは全二重モードで動作し、中心に配置された従来の2ペアのピン、D+/D-は半二重モードで動作します。SBU（SideBand Use）とラベル付けされたピンは、DisplayPortやThunderboltのようなAlt Modes（オルタネートモード）のために使用されます。VBUSピンは最大240Wの電力を供給するために使用されます。4つの外部接地（GND）ピンは全て接地目的で使用されます。高データレートのUSB-Cやコネクターを経由した高電力供給の場合、適切な接地が不可欠です。

前述のように、USB Power Delivery規格を深く掘り下げると、初期のUSB規格ではVBUSを介して最大2.5 W (5 V@500mA)の供給が可能でした。USB 3.0ではこれが若干増加し4.5 W (5 V@900mA)となりましたが、多くのアプリケーションにはそれでも十分ではありませんでした。

2014年にUSB Type-CとPower Deliveryが導入されたことで、USBの電力供給能力は大幅に向上しました。デフォルトでは、USB Type-Cを使用することで供給可能な最大電力は15W（5V@3A）に増加しました。USB PDが完全に実装されると、単一のUSBソースから最大100W（20V@5A）を供給することが可能になりました。

USB Power Delivery 3.1から、仕様は最大240 W (48 V @5 A)を許可しています。20 Vを超えるすべての電圧レベルは現在、Extended Power Range (EPR)として分類されています。また、仕様にはAdjustable Voltage Supply (AVS)モードのサポートが含まれており、15 Vを超える電圧に対して100 mVステップで電圧を調整することが可能です。

USBは約30年前に誕生した規格ですが、速度と電力機能における最も重要な改善が見られたのは最近のことです。この8年間で、ノートパソコンやスマートフォンの製造業者などの主流デバイスメーカーによってUSB-Cが採用されてきました。

現在、ほとんどのノートパソコンには少なくとも1つのUSB-Cポートがあります。さらに、多くの他のモバイルデバイスがUSB-Cに切り替わり、市場でのUSB-C電源アダプターの顕著な増加も見られます。同時に、自動車メーカーは車両により多くのUSB-Cポートを追加し、ドライバーや乗客に向けて充電オプションを強化しています。この流れに沿って、組み込みおよび産業セクターにおけるUSB-Cの採用率は今後数年で大幅に増加することが予想されています。

2025年以降のビジョンとして、現在最大で240Wで動作している多くの電子機器が、データ通信と充電の標準ポートとしてUSB-Cを採用する予定です。

USBの採用をさらに促進する主な要因として、バッテリー技術の競争、産業用途への移行、そしてUSBの世界的な普及があります。地域規制も大きな影響を与えるでしょう: USB Type-CおよびUSB PDは、2024年末までに欧州連合全域で多くの用途において必須となります。類似の議論が現在、アメリカやその他の国でも進行中です。これらのトレンドを追うことは、単に最先端の技術にとどまるだけではなく、市場での地位を確保する重要な競争力のある特徴となっています。しかし、近年、標準の急速な採用を促進している技術の主な利点とは何でしょうか？

データと電力の統合機能: USB-Cの急速な成長の最も重要な要因の1つは、高速データ、ビデオ、および電力を単一のスリムなコネクタを通じて伝送できる能力です。この機能により、より小型で薄型のデバイスの設計が可能になります。

統一性と再利用の利点: 従来の電源アダプターは固定電圧および電流レベルで提供され、特有のバレルコネクタを備えていることが多いため、想定されたデバイスでしか使用できません。このようなアダプターは、他のデバイスとの互換性がない場合がしばしばあります。

対照的に、USB-C電源アダプタは多くのデバイスで動作するUSB Type-Cコネクタを提供し、普遍的な互換性を実現します。さらに、240 W USB PDアダプタでは、240 W（48 V @5 A）までの電圧と電流を交渉することが可能です。これにより、5 Vや15 Vデバイス、45 Wのスマートフォン、160 Wのラップトップなど、240 WまでのすべてのUSBデバイスの充電が可能になります。将来的なデバイス、例えば電動工具、e-Bike、または家庭用3Dプリンターも同じアダプタで充電できる可能性があります。1つのUSB電源アダプタで多くのデバイスを充電できるため、消費者のコストを節約することができます。

R&Dおよび製造コストの削減: 統合型またはカスタマイズされたコネクタを使用したカスタマイズ電源は、設計、製造、テストに追加投資が必要になることがあります。特に生産数量が非常に多くない場合はその傾向があります。

カスタム電源の代わりにUSB-C電源アダプタを採用し、適切なInfineon USB-C PDコントローラを使用して電力を受け入れることで、ワット当たりのコスト比率を下げるのに役立ちます。これは、量産市場における充電器メーカー間の激しい競争によって自然に起こることです。

市場投入までの時間の短縮: 外部または組み込みの充電器設計に高いコストが伴うだけでなく、カスタマイズされたソリューションでは研究開発や追加テストにより多くの時間を必要とする場合がよくあります。一方で、シンプルなシンクUSB実装と認証済みUSB充電器を組み合わせることで、ほとんどのアプリケーションケースで市場投入までの時間を短縮することが可能です。

OEMへの依存を削減する: 電源や統合型AC/DCパワーモジュールがOEMメーカーから供給される場合、別の問題が発生します。このような場合、プロジェクトの将来はサードパーティの製造計画に大きく依存する可能性があります。一度USBシンク機能が実装されると、消費者市場からの同様の電力能力を持つすべての認証済みUSBアダプタが使用可能になり、単一のOEMサプライヤーへの依存を減らすことができます。

電子廃棄物の削減：一見すると明確ではないかもしれませんが、充電器の統一は環境保護に大きな影響を与えます。個々の充電器は小型ですが、毎年数百万個捨てられる充電器を考慮すると、環境への影響は非常に大きくなります。

ブランドの認知度向上: デザイン会社が常にトレンドに従っているという事実は、潜在的な顧客に対する追加の魅力を加えます。 もしあなたの会社が最新で高価な測定機器を購入し、その機器にドライバーやソフトウェアツールをインストールするためのCDが付属していた場合、どのように感じるでしょうか。

USB Type-Cコネクタ: 前述したすべてのUSB推進要因や利点に加えて、最も重要な特徴そのものは、2014年に導入された24ピンUSB Type-Cコネクタの登場でした（図1参照）。

業界の最新トレンドに従い、ArrowとInfineonは、高電力USBアプリケーションをサポートするために設計されたInfineonのEZ-PD™ PMG1-S3高電圧マイクロコントローラーを使用した新しい240 W PD 3.1シンクリファレンスデザインを発表しました。この新しいリファレンスデザインは、最新のUSB PD標準で達成可能な最高レベルである48 V @5 AのPower Delivery Object（PDO）シンクモードをサポートします。

このリファレンスデザインは、InfineonのEZ-PD™ PMG1ファミリーの高電圧マイクロコントローラーの既存の電力吸収能力を140 Wから240 Wに拡張し、多くの電力を必要とする用途や急速充電アプリケーションにとって重要です。

この240 Wシンクリファレンスデザインボード REF_ARIF240WS3は、図4に示されているように、最近リリースされたInfineonのUSB PD 3.1ソース評価ボード REF_XDPS2222_240W1を補完するものです。この組み合わせにより、エンジニアは市場で初めて完全な240 W USB PD 3.1ソース・シンクソリューションを提供することが可能になります。

240 W電源用の補完的な設計である、Infineonの REF_XDPS2222_240W1 は、CoolGaN™技術に基づいた高効率フォームファクターUSB PD 3.1リファレンスデザインで、25 W/in³の電力密度を持ち、 XDP™ デジタルパワーXDPS2222 PFC + ハイブリッドフライバック(HFB)コンボIC (図5) を使用しています。

PFCとHFBコントローラ間の内部ハンドシェイクおよび適応型バス電圧設定により、XDP™ XDPS2222 コントローラは、広範なAC入力および非常に広い出力電圧範囲を持つアプリケーション、例えばUSB PD拡張電力範囲（EPR）アダプタやバッテリーチャージャーに最適です。主な特徴として、HFB ZVSの高側および低側動作、高速応答HFBピーク電流制御、PFCとHFB動作の調和、軽負荷時のパルススキップ、自動PFC有効/無効制御、および自己調節型PFCバス電圧レベルが含まれます。

これらのリファレンス設計は、ライト電動車両（eバイク、eスクーター、その他の個人向け電動移動デバイス）、ドローン、モバイルロボット、3Dプリンター、プロ用AV機器、電動工具、医療機器、家庭用電化製品、家庭用エンターテイメント機器など、幅広いアプリケーションをサポートすることを目的としています。

一般的に、0から240Wを必要とするあらゆるアプリケーションは、電源としてUSB-Cを採用し、これらの先進的な設計によるUSB PDの優れた機能の恩恵を受けることができます。

両方のリファレンスデザインはリクエストに応じて利用可能です。技術サポートに加え、Arrowは回路図のカスタマイズやPCBの修正を含むさまざまな技術サポートサービスを提供し、顧客の設計の可能性を最大限に活かし、市場投入までの時間を短縮するお手伝いをします。