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USB PDとは何か、そしてなぜ電力を交渉するのか
USB Power Delivery (USB PD) は、USB Type-C 接続において電圧や電流を動的に制御し、機器ごとに最適な電力を供給するための規格です。従来の USB では、電力供給は非常にシンプルでした。基本的に電圧は 5V で固定されており、接続すればそのまま給電が開始されます。しかし近年の機器では、必要とされる電力が大きく異なります。例えばスマートフォンとノート PC では求める電力が大きく異なり、5V では十分な電力を供給できないケースもあります。
この課題を解決するために導入されたのが USB PD です。USB PD では、5V に加えて 9V、15V、20V といった複数の電圧レベルを使用することができ、より大きな電力を扱うことが可能になっています。ただし、このように複数の電圧・電流の選択肢がある場合、どの電力を使用するかはあらかじめ決める必要があります。そこで USB PDでは、電源側 (Source) が供給できる電力の情報を提示し、それに対して機器側 (Sink) が必要な電力を要求することで、双方が合意した条件で給電をおこないます。このやり取りが「ネゴシエーション（交渉）」です。
つまり USB PD は、「接続すれば自動的に電源が入る」のではなく、「機器同士の合意によって最適な電力が決まる」仕組みになっています。
なぜ USB PD は最初に 5V から始まるのか
USB PD では、電力はネゴシエーションによって決まりますが、接続した瞬間からいきなり高い電圧（9Vや20V）で給電されるわけではありません。必ず最初は、5Vで給電が開始されます。では、なぜこのような仕組みになっているのでしょうか。
■ 理由①：すべての機器で安全に接続するため
USB Type-C は、さまざまな機器が同じコネクターで接続されることが特徴です。しかし、接続される機器が必ずしも USB PD に対応しているとは限りません。もし最初から高い電圧が出力されてしまうと、5V しか想定していない機器に電力が供給され、故障や破損の原因になる可能性があります。そのため、まずはどの機器でも安全に扱える 5V で給電を開始する設計になっています。
■ 理由②：相手の性能が分からない状態で接続されるため
接続直後の段階では、相手機器がどの程度の電力に対応できるのかはまだ分かりません。USB PD では、通信を通じて以下のような情報をやり取りします。
電源側 (Source)：どの電圧・電流を供給できるか
機器側 (Sink)：どの電力を必要としているか
しかし、このやり取りがおこなわれる前に高電圧を出してしまうと、安全に制御することができません。そこで、まずは 5V で接続し、その後のネゴシエーションによって電圧を引き上げる、という手順になっています。
USB PD ネゴシエーションの流れ
ここまでで、USB PD は「交渉によって電力を決める仕組み」であり、最初は5Vから始まることが分かりました。では、その「ネゴシエーション」は具体的にどのように行われているのでしょうか。
USB PD の動作は大きく分けて、「接続直後の処理（Type-C の段階）」と「電力を決定する処理（USB PD の段階）」の2つに分けて理解することができます。
接続と 5V 給電（Type-C の段階）
USB Type-C では、コネクターを接続した直後に、まず接続状態や役割が決定されます。具体的には、以下の処理がおこなわれます。
・接続の検出 (Attach)
・接続方向の判定 (CC1 / CC2)
・電源側 (Source) と受電側 (Sink) の決定
・5V での給電開始
この段階では、まだ USB PD のネゴシエーションは始まっておらず、あくまで安全に接続するための初期状態の確立が目的です。
電力を決める交渉（USB PD の段階）
接続と 5V 給電が完了すると、USB PDによるネゴシエーションが開始されます。USB PD では、CC ライン上の通信を通じて、電力に関する情報をやり取りし、最終的な電圧・電流を決定します。このとき重要なのは、電圧が一方的に決まるのではなく、Source と Sink のやり取りによって段階的に決まるという点です。
USB PD のネゴシエーションでは、
・Source が供給可能な電力を提示する
・Sink がその中から必要な電力を選択する
・合意した後に電圧が切り替わる
という流れで電力が決まります。また、Accept の後には Source 側で電圧を切り替える処理 (Power Transition) が行われ、その完了を示すのが PS_RDY です。
なぜ USB PD で電圧が上がらないのか
USB PD では「電圧が5Vから上がらない」という現象がよく発生します。この挙動は、前述したネゴシエーションの流れを踏まえると自然に理解できます。USB PD では電圧は交渉の結果として決まるため、途中で処理が止まると、それ以上進まず 5V のままになるためです。
重要なのは、「USB PDが動いていない」と考えるのではなく、「どこまで処理が進んでいるか」を見ることです。例えば、ネゴシエーションの各段階ごとに見ていくと、原因の切り分けは以下のように整理できます。
・交渉自体が始まっていない
・電力の要求が行われていない
・条件が一致せず合意できていない
・合意後に電圧切り替えが動いていない
・最終状態への遷移が完了していない
ここでポイントになるのが、「5V が出ている時点で、接続としては正常に動作している」という点です。USB PD の動作は、「接続と 5V 給電 → ネゴシエーションによる電圧決定」という 2段階で成り立っているため、「5Vのまま」はネゴシエーションの途中で止まっている状態と捉えることができます。
そのため、USB PD のトラブルを考える際は、「動いているかどうか」ではなく、「どこで止まっているか」という視点で整理することが重要です。
設計でつまずきやすいポイント
ここまでで見てきたように、USB PD のトラブルはネゴシエーションの途中で発生します。そのため設計において重要なのは、どの部分で問題が起きやすいのかをあらかじめ理解しておくことです。USB PD 設計でつまずきやすいポイントは、主に以下の 4つに集約されます。
■ 1つ目：CCラインの設計
USB Type-Cでは、接続の検出や通信の開始にCCラインが使われます。ここに問題があると、ネゴシエーション自体が開始されません。
■ 2つ目：PDO の設定
Source が提示する電力条件や、Sink が選択する電力条件に不整合があると、そもそも交渉が成立しません。「電圧が上がらない」ケースの多くは、この部分に起因しています。
■ 3つ目：PD 通信（ネゴシエーション）そのもの
USB PD はCC ライン上の通信によって成立しているため、信号品質やタイミングの問題があると、メッセージが正しくやり取りされません。
■ 4つ目：ケーブルの制約
USB Type-C ケーブルには電流容量の制限があり、例えば 3A 対応ケーブルでは、それ以上の電力が要求されても供給できません。
つまり、「USB PD の問題は、回路・設定・通信・ケーブルのいずれかに起因する」と整理できます。
まとめ：USB PD設計で重要なのは「どこで止まるか」を見ること
USB PD は一見複雑に見えますが、本質はシンプルです。接続 → 5V 給電 → ネゴシエーション → 電圧決定という流れで動作しており、トラブルはこのどこかで止まっているだけです。
そのため重要なのは、「USB PDが動いていない」と考えるのではなく、「どこまで進んでいるか」を見て切り分けることです。この視点を持つことで、USB PD の設計やデバッグは格段に進めやすくなります。
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