USB-C PD はなぜ 240W まで出せるのか ― 電圧・電流・PPS の実用数学

電力は電圧と電流の積です。

P[W] = V[V] × I[A]

USB PD の代表的な組み合わせを並べると、 仕組みが一気に見えます。

ポイントは、 240W を 5V のまま出そうとすると 48A も必要になることです。 ケーブルもコネクタも発熱も現実的ではありません。 だから USB PD 3.1 の EPR (Extended Power Range) は、 28V / 36V / 48V のように電圧を上げ、 電流は最大 5A に抑える方向で高出力化しています。

USB PD 3.1 では、 従来の 100W までの領域を SPR (Standard Power Range)、 それを超える領域を EPR (Extended Power Range) として整理します。 ざっくり言えば、 SPR は最大 20V / 5A = 100W、 EPR は最大 48V / 5A = 240W です。

ただし、 充電器に「USB-C」と書いてあれば 240W が出るわけではありません。 成立には少なくとも次の3者がそろう必要があります。

• 電源側: EPR 対応の出力プロファイルを持つ
• 機器側: その電圧・電流を受け取れる
• ケーブル: 5A / EPR を識別できる電子マーカー入り

どれか 1 つでも不足すると、 100W 以下や 60W 以下に落ちます。 「140W 充電器を買ったのに 60W しか出ない」 場合、 充電器より先にケーブルと端末側の対応表を見るべきです。

USB PD では、 充電器がいきなり好きな電圧を流すわけではありません。 まず電源側が「私はこの電圧・電流を出せます」 という候補を提示し、 端末側がその中から要求します。 この候補が PDO (Power Data Object) です。

たとえば 65W 充電器なら、 仕様表に次のような出力が並ぶことがあります。

5V 3A  = 15W
9V 3A  = 27W
15V 3A = 45W
20V 3.25A = 65W

これは「常に全部を同時に出す」 という意味ではなく、 端末が選べるメニューです。 ノートPCが 20V を要求できれば 65W 付近まで上がり、 スマホが 9V までしか要求しなければ 27W 程度で止まります。

PPS のような可変電圧候補は APDO (Augmented PDO) として表されます。 固定の 5V / 9V / 15V / 20V だけでなく、 たとえば 3.3〜11V の範囲で端末が細かく電圧を要求できる、 という形です。 スペック表に PPS 3.3-11V/3A のような表記があれば、 スマホ側の急速充電規格と相性がよい可能性があります。

ケーブルで失われる電力は、 抵抗を R とすると I²R です。 電圧ではなく電流の2乗で効いてきます。

3A と 5A の発熱比 = 5² ÷ 3² = 25 ÷ 9 = 2.78 倍

同じケーブル抵抗なら、 5A は 3A の約 2.8 倍熱くなりやすい。 そのため USB Type-C では、 5A 対応ケーブルに電子マーカー (e-marker) を持たせ、 電源と機器が「このケーブルなら 5A を流してよい」 と確認できるようにしています。

逆に言えば、 60W ケーブルや 3A ケーブルで 100W / 140W を狙うのは筋が悪い。 高出力を狙うなら、 充電器のワット数だけでなく ケーブルの 5A / 240W 表記を確認するのが実用上の最短ルートです。

USB-C ケーブルは見た目が同じでも、 流せる電流と対応電圧が違います。 実用上は次のように見ると整理しやすいです。

100W や 240W のケーブルを使っても、 端末がその電力を要求しなければ電力は上がりません。 逆に、 端末と充電器が高出力対応でも、 ケーブルが 3A までなら交渉結果は低い出力に制限されます。 USB-C の高出力は、 3者の最小公倍数ではなく3者の共通上限で決まる、 と考えると誤解しにくいです。

USB PD には固定電圧だけでなく、 電圧を可変にする仕組みもあります。 よく聞く PPS (Programmable Power Supply) は、 主にスマートフォンの急速充電で使われる可変電圧の仕組みです。 端末側が必要な電圧を細かく要求し、 充電器側がそれに追従します。

これが便利なのは、 端末内部での降圧ロスを減らせるからです。 例えば電池が 4V 前後で動いているとき、 20V を受け取って端末内で大きく降圧するより、 必要に近い電圧を外部電源から受け取ったほうが発熱を抑えやすい。 高速充電でスマホが熱くなる問題に、 電圧制御で向き合う発想です。

EPR 側では AVS (Adjustable Voltage Supply) という可変電圧の考え方も出てきます。 名称が似ていますが、 PPS はスマホ急速充電でよく見る実用機能、 AVS は EPR の高電圧レンジを扱う文脈で見る、 と分けておくと混乱しにくいです。

140W 充電器を買えば、 すべての端末が 140W で充電されるわけではありません。 実際の電力は、 電源・機器・ケーブルが共通して合意できる最大値です。

1. 充電器が提示する PDO / APDO (出力候補)
2. 端末が要求できる電圧・電流
3. ケーブルが許す電流・電圧
4. 温度や電池残量による端末側の制御

特にリチウムイオン電池は、 空に近いときほど高電力を受け取りやすく、 満充電に近づくほど電流を絞ります。 だから「最大 100W 対応」 は常時 100W ではなく、 条件がそろった時間帯の上限と見るのが正確です。

前回の mAh と Wh の記事 と同じく、 比較の軸は mAh ではなく Wh / W です。 容量は Wh、 速度は W、 発熱は主に電流と効率で見る。 この3つに分けると、 充電まわりのスペック表はかなり読みやすくなります。

複数ポート充電器でよくある落とし穴が、 合計出力と1ポート最大の混同です。 パッケージに「合計 100W」 と書かれていても、 2台同時に挿すと 65W + 30W、 45W + 45W、 あるいはポートによって 65W + 20W のように配分が変わることがあります。

ノートPCとスマホを同時に充電するなら、 見るべきなのは合計値だけではありません。

• USB-C 1ポート単独時の最大W数
• 2ポート同時使用時の各ポート配分
• USB-A を挿したときに USB-C 側が落ちるか
• PPS が同時使用時にも維持されるか
• ノートPC側が必要とする最小入力W数

とくにノートPCは、 45W でも低速充電できる機種、 65W 以上でないと負荷中に減っていく機種、 100W 以上を要求する機種があります。 充電器の合計Wだけでなく、 自分の使い方でのポート配分を見る必要があります。

USB 電圧計を挟むと、 その時点の電圧・電流・電力が見えます。 ただし、 表示された数字だけで充電器の能力を断定するのは危険です。 端末の電池残量、 温度、 起動中の負荷、 ケーブル、 電圧計自体の対応範囲で結果が変わります。

たとえば「100W 充電器なのに 30W しか出ない」 場合でも、 次のような理由があり得ます。

1. 端末の電池残量が高く、 充電制御で電流を絞っている
2. 端末がそもそも 30W 付近までしか要求しない
3. ケーブルが 3A までで、 5A プロファイルへ進めない
4. 複数ポート使用中で、 そのポートの上限が下がっている
5. USB 電圧計が EPR や高電圧レンジに対応していない

正しく切り分けるには、 端末仕様、 ケーブル仕様、 充電器のPDO/APDO一覧、 実測値を合わせて見るのが安全です。 電力の計算そのものは V × A ですが、 その値に到達するかどうかは交渉と制御で決まります。

• ノートPC用なら、 端末が要求する入力 W 数を先に確認する
• 100W 超を狙うなら、 充電器・端末・ケーブルが EPR 対応か見る
• 100W まででも、 5A ケーブルが必要な組み合わせがある
• スマホ急速充電では PPS 対応の有無が効くことが多い
• 複数ポート充電器は、 1ポート最大と同時使用時の配分が別物

計算自体は単純です。 電力換算ツール や バッテリー容量換算ツール で W / Wh をそろえてから見ると、 「この充電器で足りるか」 の判断がぶれにくくなります。