発熱で出力を下げるUSB充電器をどう検証するか：サーマルスロットリング対応の試験装置を自作
イチケン / ICHIKEN
最近の小型・高出力なUSB充電器には、本体が熱くなると動作中に出力電力を下げる「サーマルスロットリング」を備えたものが多い。電子工作チャンネル「イチケン」の話者は、これまで多くのUSB充電器の出力と温度上昇を検証してきた。しかし、この機能を持つ充電器は従来の実験方法では正しく評価できなくなった。そこで話者は、充電器と通信しながら負荷を追従させる検証装置を自作した。動画は、なぜサーマルスロットリングが必要になったのかを充電器の歴史と発熱の仕組みから説明し、その後に自作装置の仕組みと実測結果を紹介している。
GaNパワー半導体がUSB充電器市場を変えた
話者によれば、USB充電器が広く使われ始めたのはスマートフォンが登場した頃で、初期は5V・1A程度で充電する製品が多かった。スマートフォンの普及とバッテリーの大容量化に伴い、急速充電器が登場した。
話者が業界の流れを大きく変えたと見るのは、Ankerが2019年11月頃に投入した急速充電器である。この製品は、内部のパワー半導体に従来のシリコンではなく窒化ガリウム(GaN)を採用していた。話者の説明では、GaNの採用により、価格を大きく上げずに小型で大容量のUSB充電器を作れるようになった。これをきっかけにGaN充電器の市場は拡大した。話者が動画でベンチマークとしてよく使う「Anker Nano II」シリーズ(2021年5月頃発売)も、GaN充電器の中でかなりのベストセラーになったという。その後も市場では競争が続き、マルチポート化やケーブル内蔵型の製品も登場している。
小型・高出力化の先に残る発熱の問題
話者は、USB充電器に求められる性能の中で特に重要なのは「小型で大電力を扱えること」だと述べる。旅行や仕事で持ち歩く場面を考えれば、充電器はなるべく小さいほうがよい。また、USB充電器をACアダプター代わりに使う例も増えており、大容量モバイルバッテリーやノートパソコンを充電するには大電力を出せる充電器が必要になる。
こうして小型化と高出力化が進むと、次に問題になるのは充電器自体の発熱である。話者は「結局このような製品って、どこまでいっても熱」だと言う。SiからGaNに変わったときは発熱が減ったので小型化・高出力化が可能になった。しかし、GaN製品が普及して小型大電力の製品として洗練されてくると、また熱の問題が出てくる、というのが話者の見方である。
熱はどこから出て、何が問題になるのか
USB充電器の役割は、コンセントの交流電圧を充電用の直流電圧に変換することだ。この変換の過程で内部の電子部品に電力損失が生じ、その損失は最終的に熱になる。話者によれば、GaNを採用した最近の充電器はかなり優秀で、変換効率は90%台前半のことが多い。それでも残りの数%はすべて熱になる。
話者は具体例として、変換効率90%の充電器が100Wで充電している場合を挙げた。このとき充電器では11Wの損失が発生する。話者はこの11Wを「かなり大きい」と評し、手のひらに収まる程度のサイズの充電器では表面温度が60℃や70℃を超えることもあると説明した。高温になると内部部品の寿命が縮んで故障リスクが高まる。さらに人が触る製品なので、やけどの危険もある。したがって、小型化と高出力化を両立するには、損失を減らして発熱を抑えることと、出た熱をどう逃がすかが重要になる。
損失を減らすか、出力を一時的に下げるか
話者はここで、発熱を減らす側に焦点を当てる。損失を小さくするには高性能な部品を使えばよい場合が多いが、そうすると製品価格が跳ね上がる。この観点から話者は、シリコンから価格を大きく上げずに性能を高められたGaNを、USB充電器の進化を支えたブレイクスルーだったと振り返る。
熱、価格、小型・高出力という要素のバランスを取るのは非常に難しく、メーカー各社はこの課題と戦っている。ただ話者は、この課題自体が次の技術的ブレイクスルーなしには解決しにくいものだと考えている。そのため最近では各メーカーが戦い方を変えており、その一つがサーマルスロットリングによる過熱保護だという。
サーマルスロットリングとは、充電器の温度が上がったときに、出力可能な電力を一時的に1段階下げる動作である。出力を下げれば損失、つまり発熱も減るので、充電器を過熱から守れる。話者は実例として、Appleもこの動作をするUSB充電器を発売していると紹介した。
従来の検証方法が通用しなくなった理由
このチャンネルでは、充電器がどれだけの電力を出せるか、そのときどれだけ温度が上がるかを中心に検証を続けてきた。しかし話者は、最近の充電器ではこの実験方法が通用しなくなってきたと言う。原因はサーマルスロットリングである。
従来の方法は、電力を固定して負荷をかけるものだった。この方法では、内部温度が上がって出力を制限したときの充電器の正しい挙動を捉えられない。今の充電器を正確に評価するには、充電器と双方向に通信しつつ、スロットリング動作に追従する試験方法が必要になった、というのが話者の結論である。
USB PDの通信とSource Capabilities
装置の説明に入る前に、話者はUSB PDの通信を整理している。充電器をスマートフォンやパソコンにつなぐと、充電を始める前に、充電器(SOURCE側)と充電される機器(SINK側)の間で通信が行われる。このときSOURCE側は「Source Capabilities」を送る。これは何V・何Aまで供給できるかを示すデータで、話者が例示した充電器では5V・3A、9V・3A、15V・3A、20V・2.25Aといった上限が並んでいた。
SINK側はこれを受け取り、その範囲内で希望する電圧と電流を決める。もしSINK側がSource Capabilitiesを無視して過大な電流を引こうとすると、SOURCE側は安全のために出力を遮断する。
話者の説明では、サーマルスロットリングとは充電中にこのSource Capabilitiesを変えることである。スロットリングしたいとき、充電器は出力可能な電力を小さくしたSource Capabilitiesを再送し、以後はその範囲でしか電力を供給しない。
従来の検証ではSINK側に電子負荷を使い、常に100%の負荷をかけていた。すると充電器はスロットリングを試みても、電子負荷側はその変更を読み取れない。結果として負荷は過大なままになり、出力が遮断されてしまう。一方、パソコンの給電や充電といった実際の使用環境では、機器は引き下げられたSource Capabilitiesに従うので、出力は遮断されず給電が続く。つまり従来の方法は、スロットリング時のSource Capabilitiesの変更を無視していたことになる。そこで電子負荷だけの検証方法をやめ、アップデートする必要が出てきた。
自作した検証装置の仕組み
話者が作ったのは、充電器の通信を読み取りながら動作する検証装置である。この装置は充電器と通信しながら、常にSource Capabilitiesの上限の電力を消費し続けるように動く。
これまでスロットリングのある充電器を検証する際は、大容量モバイルバッテリーやゲーミングノートPCを負荷として使っていた。しかしその方法では人がほぼ付きっきりで監視する必要があり、実験効率が非常に悪く、再現性にも限界があった。新しい装置では通信、負荷の制御、記録をすべて自動で行えるため、ほぼ放置したまま実験を終えられるという。
システム全体は、電源、計測器、電子負荷、パソコン、そして今回開発したボードで構成される。ボードはPDトリガーデバイスとマイコンからなり、充電器からの通信を受け取ってマイコンで処理する。ボード、電子負荷、パソコンが協調し、Source Capabilitiesの上限電力を常に充電器から引き続ける仕組みだ。動作の詳細は長くなるため、メンバーシップ限定動画で公開する予定だと話者は述べている。
使い方は充電器を接続するだけである。装置がSource Capabilitiesを読み取り、最大電力となる条件を自動で選んで電子負荷で電流を引き始める。実演では出力電圧20V、最大電流3.25Aを引いており、温度も同時に測定しながら狙いどおりに動作していた。
3つの条件での比較結果
話者は同じ65W級の充電器について、3つの条件の結果を示した。
1つ目は自作ボードを使った測定である。負荷をかけ始めて30分ほど経つとサーマルスロットリングが起き、Source Capabilitiesの電流上限が下がった。受信したSource Capabilitiesを見ると、最初は20V・3.25A(65W)が最大だったが、温度上昇によるスロットリング後は20V・2.75A(55W)が最大になった。電子負荷はSource Capabilitiesが再送された後、消費電力を65Wから55Wに落としており、充電器と協調して動作していた。
2つ目は、ボードを使わず電子負荷を直結した従来の方法である。充電器は23分ほどでスロットリングをかけようとした。しかし電子負荷はそれを無視して65Wを引き続けた。本来SINK側は電力を落とすはずだがそうならなかったため、充電器の出力は遮断された。
3つ目は、実際にノートパソコンを充電したときのグラフである。27分付近で充電器がスロットリングに入り、出力電力を下げた。話者は、このグラフと自作ボードを使った場合の結果がほとんど同じであることから、開発した装置はうまく動作していると判断している。
さらに話者は、さまざまな充電器を試験して分かったこととして、SINK側の機器はSource Capabilitiesの上限ぎりぎりまで電力を使うことはほとんどなく、90%程度で使うことが多いようだと付け加えた。
今後の検証に向けて
話者は今回、発熱によって出力を下げるサーマルスロットリングの仕組みを整理し、スロットリングが起きても充電器を検証できる環境を構築した。今後のUSB充電器の検証はこのボードを使って進める予定で、240W版の装置も現在開発中だという。
この動画はDigiKeyの提供でお送りします。こんにちは。今日の動画は、USB充電器のサーマルスロットリングについての解説と、それを検証するための回路を自作しましたという動画です。
動画のタイトルにあるように、最近のUSB充電器は発熱によって動作中に出力電力を低下させるものがあります。これはUSB充電器を過熱から守るための動作で、サーマルスロットリングと呼ばれています。最近の小型高出力のUSB充電器に、この機能が搭載されていることが多いです。
そもそもサーマルスロットリングとは何なのか、なぜそのような機能が必要なのかを、過去のイチケンチャンネルの動画を参照しながら解説していきます。
USB充電器はスマートフォンが出てきたあたりからよく使われるようになりました。初期の頃は5V,1Aくらいで充電するUSB充電器が多かったのですが、スマホの普及やバッテリーの大容量化なども相まって、急速充電器が出てきました。ここに並べてあるのはすべて急速充電器です。
私の動画でもよく登場するAnkerが2019年の11月頃に投入したUSB急速充電器が、この業界の潮目を大きく変えました。ちなみに、こちらの製品です。これは充電器内部に使われているパワー半導体に、従来からよく使われているシリコンパワー半導体ではなくて、GaN、いわゆる窒化ガリウムパワー半導体を採用しています。
GaNを採用することで、USB充電器の価格を大幅に上昇させることなく、比較的低価格で、かつ小型大容量なUSB充電器を作ることが可能になりました。このあたりの出来事をきっかけに、窒化ガリウムパワー半導体を採用したUSB充電器の市場はどんどん大きくなっていきます。
余談となりますが、私の動画の中でも度々登場しているこちらの充電器、よくベンチマークとして使うのですが、2021年5月頃にAnkerから発売されたAnker Nano IIシリーズという充電器で、これはGaNパワー半導体を採用した充電器の中ではかなりのベストセラーになっています。
これ以降もUSB充電器の市場では競争が繰り広げられていて、充電器のマルチポート化や、ケーブル内蔵型のUSB充電器といったものも登場しています。
このようなトレンドがある中で、USB充電器に求められる性能の中で特に重要なのが、小型かつ大電力を扱えるということです。USB充電器を使う場面を考えてみると、家で使うのはもちろん、旅行や仕事で外出するなど、持ち運ぶ場面が出てくるわけです。そうなってくると、USB充電器自体がなるべく小型であるというのが重要なポイントになってくるわけです。
また持ち運びだけではなくて、USB充電器をACアダプターのように使う事例も増えてきています。大容量のモバイルバッテリーやノートパソコンを充電するためには、大電力が出力できるUSB充電器が必要になってきます。
こうしてUSB充電器自体がどんどん小さく、そして高出力化していくと、次に問題となるのは熱、つまりUSB充電器自体の発熱です。結局このような製品って、どこまでいっても熱なのですね。
Siパワー半導体からGaNパワー半導体に変わったときも、発熱が小さくなったので小型化・高出力化ができました。できたのは良いのですが、GaNパワー半導体が普及してきて、小型大電力な製品として洗練されてきたら、また熱の問題が出てくるわけです。
ここからはまず、USB充電器のどこから熱が出てきて、その熱がどのように影響するのかというのを解説していきます。
USB充電器の役割は、コンセントまで来ている交流電圧を、充電に使うための直流電圧に変換することです。この電力変換の過程で、USB充電器内部の電子部品で電力損失が発生します。ちょうどこの部分です。この電力損失というのは、最終的には熱になります。
GaNパワー半導体を採用した最近のUSB充電器はかなり優秀で、電力変換効率は90%台前半であることが多いです。ですが、残りの数％分の電力損失はすべて熱になってしまいます。
もう少し具体的な数字を出してみると、変換効率90%のUSB充電器が100Wで何かを充電しているとします。そうしますと、このUSB充電器部分では11Wの電力損失が発生しています。11Wの損失ってかなり大きくて、このくらいのサイズのUSB充電器ですと、電力損失によって表面温度が60℃や70℃超えになることもあります。
温度が高いと何が問題かというと、内部の電子部品が高温環境に置かれることになり、寿命が縮み、故障リスクが高まります。さらに人が触る製品ですので、やけどの危険性もあります。
このようにUSB充電器の小型化と高出力化を両立する上で、いかに電力損失を少なくして発熱を減らすか、そして出てしまった熱をどうやって放熱していくのかが重要になっていきます。
ここでは発熱を減らすことに着目します。発熱を減らすためには、電力損失を小さくすれば良いんですね。これはUSB充電器に使う電子部品に性能の高いものを使えば実現できることが多いのですが、製品価格は跳ね上がります。こう考えてみると、シリコンパワー半導体から価格を大きく上げずに性能を高めることができたGaNパワー半導体は、USB充電器の進化を大きく支えたブレイクスルーだったのですね。
ここまで話してきたように、熱の問題、価格、小型・高出力という3つの要素のバランスを取るのは非常に難しくて、メーカー各社はこの課題と戦っています。ですが、そもそもこの課題自体が、次の技術的なブレイクスルーがないと解決できないようなものですから、最近では各メーカーは戦い方を変えてきています。それがサーマルスロットリングによる過熱保護です。
サーマルスロットリングは何かというと、USB充電器の温度が上がってきたら、USB充電器が出力可能な電力を一時的に1段階下げるという動作です。実際にAppleは、サーマルスロットリング動作をするUSB充電器を発売しています。この動作をすることによって、USB充電器で発生する電力損失＝発熱を減らすことで、過熱からUSB充電器を守ろうということですね。
ここまでで、USB充電器が小型化・高出力化を進める中で、なぜ熱の問題が避けられないのか、そしてその対策としてサーマルスロットリングが使われるということを解説してきました。
このチャンネルでは、これまで数多くのUSB充電器について、どのくらい電力を出力できるのか、そしてそのときどれくらい温度上昇するのかという点を中心に検証を行ってきたのですが、最近のUSB充電器では、これまでやってきた実験方法が通用しなくなってきております。
理由はサーマルスロットリングがあるからです。この機能を持つUSB充電器は、内部温度が上がると自動的に出力電力を制限する仕組みになっています。これまでやってきた電力固定で負荷をかける方法では、サーマルスロットリング時のUSB充電器の正しい動作を捉えることはできませんでした。つまり、今時のUSB充電器を正確に評価するためには、USB充電器と双方向に通信しつつ、サーマルスロットリング動作に追従するような試験方法が必要だったわけです。
ここからはUSB PDの通信のPDO（Power Data Object）について簡単に解説しつつ、USB充電器と充電される機器の間で出力電力がどのようにやり取りされているのかを整理していきます。最終的には、こちらにある自作の回路を使って、実際にサーマルスロットリングがどのような条件で発動して、どれくらい出力電力が下がるのか、そのあたりの挙動も見ていきます。ですがその前に、今日のスポンサーのDigiKeyの紹介です。どうぞ。
皆さん、電子回路を作るときにセンサは使ったことありますか。センサといってもいろいろな種類があります。例えば、熱電対のような温度センサや、距離などを測る超音波センサなどです。これらのセンサは、温度、距離、光、圧力などの私達の身の回りにある情報を定量的に感じ取るための重要な部品です。
そんなセンサの特徴や使い方を一目で理解できるのが、DigiKeyのアプリケーション & テクノロジー センサのページです。ここではセンサそのものの紹介だけではなく、センサが検出した値を取得するためのプロトコル通信の比較なども見ることができます。さらに各センサについて詳しく知りたい場合は、ここをクリックすると、DigiKey TechForumでさらに深掘りした内容を見ることができます。センサってどう動くのか、購入前に仕組みを理解したいという方は、ぜひ概要欄のリンクからアクセスしてみてください。
ここではUSB充電器と充電される機器側の通信について少し話をします。USB充電器をスマートフォンやパソコンなどに接続すると、充電を始める前に、充電器(SOURCE側)と充電される機器(SINK側)の間で通信をします。このときSOURCE側であるUSB充電器は、Source Capabilitiesという情報を送信します。これは充電器が何V,何Aまで電力を供給できるかという能力を示すデータです。
実際USB充電器のSource Capabilitiesを見てみると、このような内容です。この場合ですと、5V,3A、9V,3A、15V,3A、20V,2.25Aというように上限を設定して、この範囲で出力可能です。
このSource Capabilitiesを受け取ったSINK側は、その範囲内で希望する電流,電圧を決めます。もしSINK側がSource Capabilitiesを無視して過大な電流をSOURCE側から引いてこようとすると、SOURCE側であるUSB充電器は安全のために出力を遮断します。
サーマルスロットリングは、充電中にこのSource Capabilitiesを変えることなのですね。つまりサーマルスロットリングをしたいとき、USB充電器は出力可能な電力を小さくしたSource Capabilitiesを再度送信して、その範囲でしか電力を供給しなくなるわけです。
これまでのUSB充電器の検証でやってきた方法は、サーマルスロットリング発生時のSource Capabilitiesの変更を無視していたのですね。実際には、このSINK側には電子負荷を使っていました。電子負荷を使って常に100%負荷を取っていると、USB充電器側はサーマルスロットリングをするのですが、それをSINK側で読み取れなくて、出力が遮断してしまうのですね。
でもパソコンなどを給電したり充電したりするような実際の使用環境では、出力は遮断せずに、Source Capabilitiesを引き下げた状態で給電をし続けます。そのため、これまでやっていた電子負荷だけを使った検証方法はやめて、それを何かしらアップデートする必要が出てきたわけです。
そこで自作したのが、USB充電器の通信を読み取りつつ動作する検証装置です。この装置はUSB充電器と通信を行いながら、常にSource Capabilitiesの上限の電力を消費し続けるように動作します。
これまでサーマルスロットリングがあるUSB充電器の検証は、大容量のモバイルバッテリーやゲーミングノートPCなどを負荷として使っていました。しかし人がほぼ付きっきりで監視しておく必要があって、実験効率が非常に悪いですし、再現性にも限界がありました。新しい検証装置を使えば、通信・負荷の制御・記録をすべて自動で行えるため、ほぼ放置したままで実験完了です。
では実験してみます。こちらが装置の全体像です。電源、計測器、電子負荷、パソコン、そして今回開発したボードです。
こちらがボード外観です。PDトリガーデバイスとマイコンで構成されていて、USB充電器から出てくる通信を受け取って、マイコンで処理するといった動作をします。ちなみにこの回路を作るための電子部品は、スポンサーのDigiKeyで購入しています。
全体の動作としては、このボード、電子負荷、パソコンが協調して動作して、Source Capabilitiesの上限の電力を常にUSB充電器から引き続けます。動作について詳細を説明しようとすると長くなってしまいますので、このあたりはメンバーシップ限定動画で公開しようと思います。
実際に使ってみると、このようになります。接続するだけで簡単です。
ここら辺でSource Capabilitiesを読んで、最大電力となるものを自動的に選んで、電子負荷で負荷を引き始めるというような状況になっています。実際動作中はこのように3.25Aの最大電流を引いています。出力電圧は20Vです。温度も同時に測定しており、温度上昇していくと、狙った通りの動作ができています。
実際に測定した結果がこちらです。負荷を取り始めてから30分程度経過すると、サーマルスロットリングが起きて、Source Capabilitiesの出力電流の上限が減っています。それに合わせて電子負荷で引く電流を下げることで、協調して動作しています。
こちらが受信したSource Capabilitiesです。初めは20V,3.25A,65Wが最大でしたが、温度上昇によってサーマルスロットリングがかかり、20V,2.75A,55Wが出力できる最大電力となりました。電子負荷はSource Capabilitiesが再送されてから、消費電力を65Wから55Wに落とすような動作をしています。
次はこちらの結果です。この実験では今回開発したボードは使わないで、電子負荷直結で検証したときの結果です。これは従来やってきたやり方です。USB充電器は23分くらいのところでサーマルスロットリングをかけようとしますが、電子負荷はそれを無視して65Wの電力を引き続けようとしています。想定されるSINK側の動作は電力を落とすのですが、そうはならなかったため、USB充電器の出力は遮断されました。
最後はこちら。USB充電器でノートパソコンを充電したときのグラフです。27分付近でUSB充電器はサーマルスロットリング動作に入り、出力電力を低下させます。こちらのグラフと、今回開発したボードを使った場合とで、ほとんど同じような結果になっています。つまり、開発したものがうまく動作しているということだと思います。
ちなみに、いろいろなUSB充電器を試験して分かったのですが、SINK側はSource Capabilitiesの上限ギリギリの電力を使うことはほとんどなくて、90%ぐらいのところで使うことが多いようです。
というわけで今日は、USB充電器が発熱によって出力電力を低下させるサーマルスロットリング動作と、その動作が起きたときにもUSB充電器の検証ができる環境を構築しました。今後のUSB充電器の検証は、こちらのボードを使いながらいろいろやっていきたいと思います。ちなみに240W版も現在開発中です。それでは、最後まで動画のご視聴ありがとうございました。
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