ユニバーサル・シリアル・バス

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出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2024/04/21 01:27 UTC 版)

複数機器接続

規格上は、最大127台までの機器を一つのバスに接続することができる。木構造の「深さ」を示すTierは、ルートハブ（ホスト）を含め7段までに制限されている。つまりデバイスとホストの間にハブは最大5台まで存在することができる。ケーブルの最大長は規格では遅延時間とVBUSの電圧降下の最大値として定められており、ケーブル1本あたり最大26 nsおよび125 mVである (§7.1.16, 7.2.2)。

しかし実際には、USBコントローラやハブとUSB機器の「相性」や、ハブの備える物理的なポート数などによって制約を受け、USB関連デバイスの開発メーカー等における接続テストのような場合を除けば、日常的に実際に127台のデバイスを接続して利用する例は極めてまれといえる。言い換えるなら、エンドユーザーが規格上の論理接続数を一般的な利用の範囲内で飽和させるという使用例はまずあり得ず、余裕をもった規格であるといえる。

週刊アスキーで実験したところ、80台目あたりからエラーが頻発したものの、繋ぎ方を工夫すれば100台までは実用に耐えたという^[29]。

USB給電

この節には独自研究が含まれているおそれがあります。問題箇所を検証し出典を追加して、記事の改善にご協力ください。議論はノートを参照してください。（2010年4月）

USB給電規格
規格	電流	電圧	電力
USB 1.x and 2.0	500 mA^{[注釈 2]}	5 V	2.5 W
USB 3.x	900 mA^{[注釈 3]}		4.5 W
USB Battery Charging Revision 1.2	0.5 - 1.5 A		2.5 - 7.5 W
USB Type-C^{[注釈 4]}	1.5 A		7.5 W
USB Type-C^{[注釈 4]}	3 A		15 W
USB Power Delivery Revision 1.0^{[注釈 5]}	2 A		10 W
	1.5 A	12 V	18 W
	3 A		36 W
	5 A		60 W
	3 A	20 V	60 W
	5 A	20 V	100 W

USB Power Delivery Revision 3.0 パワールール^[30]
給電出力電力 (W)	電流 (A)
給電出力電力 (W)	+5 V	+9 V	+15 V	+20 V
0.5–15	0.1–3.0	No	No	No
15–27	3.0 (15 W)	1.7–3.0	No
27–45		3.0 (27 W)	1.8–3.0
45–60			3.0 (45 W)	2.25–3.0
60–100			3.0 (45 W)	3.0–5.0

USBは、基本的には信号ケーブルとして設計されている。その一方で実際的な利便性にも配慮し、小電力のデバイスについては、接続される周辺機器の駆動用の電源をUSBケーブルで供給するバスパワード（「バスパワー」と省略されることが多い）による駆動にも対応している。供給電圧は5 V (±10%)、電流はローパワーデバイスは100 mA（USB 3.xは150 mA）、ハイパワーデバイス最大は500 mA (USB 2.0)・900 mA (USB 3.0) まで^[31]とされている。USBデバイスがサスペンド状態の場合は最大電流は500 μAまでだったが、2007年リリースのLink Power Management Addendum ECNにより2.5 mAまでとなった^[32]。

USB Battery Charging Specification (USB BC)

USB給電のための規格で、USB 2.0規格の給電仕様の拡張が試みられている。USB IFにより2007年にRevision 1.1、2010年にRevision 1.2がリリースされた^[33]。従来のUSB 2.0ポートはStandard Downstream Port (SDP) と定義し^[34]、新たにチャージングポートと呼ぶ2種類が規格化されている。

Charging Downstream Port (CDP): 1.5 Aまでの給電に加えデータ通信もサポート。データラインでのハードウェアハンドシェイクを行うことで、エニュメレーション（接続認識）の前でも1.5 Aまでの給電が可能。ハイスピードモードでは900 mAまで。
Dedicated Charging Port (DCP): 1.5 Aまでの給電のみをサポートしデータ通信は行わない。端子のD+とD−ピンを短絡させることでDCPと認識させる。エニュメレーションは行わない。

USB Power Delivery (USB PD)

2012年7月にUSB 3.0プロモーターグループは、USB Power Delivery (USB PD) Revision 1.0 Version 1.0 の規格化を完了したと発表した^[35]。USB Battery Charging Revision 1.2と共存して使用される。10 W・18 W・36 W・60 W・100 W の5つのパワープロファイル (Power Profile) があり、認証されたPD対応USBケーブル、USB A/Bコネクタを使用することで20 V, 100 Wまでの電源供給が可能となる。マイクロUSB B/ABコネクタでは最大20 V, 60 Wまでとなる。ホストからデバイス、デバイスからホストへの電源供給がケーブルのつなぎかえなしで可能。

2014年にUSB 3.1の一部として USB Power Delivery Revision 2.0 Version 1.0 がリリースされ、USB Type-Cケーブルに対応した。

2016年にリリースされた USB Power Delivery Revision 2.0 Version 1.2 と USB Power Delivery Revision 3.0 Version 1.0 では5つのパワープロファイルに代わって、パワールール (Power Rules) という給電仕様にとなった。 USB Power Delivery Revision 2.0 との後方互換性を持つ。5V・9V・15V・20Vの電圧仕様があり、供給側は3Aで最大供給電力以下となる電圧はすべてサポートする必要がある。パワールール以外の電圧、電流もオプションで許可されている^[36]。正式にUSB Type-C専用の給電規格となり、USB A/BコネクタでのPDは普及することなく規格から削除された。

USB Power Delivery Revision 3.0 Version 1.0 では、オプションでプログラマブル・パワー・サプライ (Programmable Power Supply; PPS) の機能があり、電圧を可変にでき、充電時の余計な発熱を減らし、電力の利用効率を上げられる^[37]。一部のスマートフォンなどで利用されている^[38]。

また USB Power Delivery Revision 3.0 Version 1.0 では、オプションでファスト・ロール・スワップ (Fast Role Swap; FRS) の機能があり、0.15ミリ秒以内に給電と受電の役割を入れ替えることができる^[37]。

2021年にはUSB Power Delivery Revision 3.1がリリースされ、28V、36V、48Vの電圧が追加され240Wまでの電力供給が可能となった。

経緯

USB給電仕様は、当初はローパワーデバイスについてはPC/AT互換機におけるPS/2コネクタの置き換えを念頭に、マウスやキーボードに搭載される小電力の半導体ロジック等の駆動を前提として設計された。またハイパワーデバイスについてもそれらのロジック回路などよりは電力を要求することを想定しているものの、いずれもスピンドル（モーター）の駆動や機器の充電手段等としての大電力の利用を想定したものではなかった。このため小型ノートパソコンの一部などのように供給電流を抑えてある場合、500 mAに近い電流で動く事を想定しているUSB接続機材の動作が不安定だったり動作しない事もある。

ハイパワーデバイスとしての仕様以上の電力を要求するディスクドライブ等のモーター駆動式の機器や、大規模な集積回路などを含み電力を消費する画像用のキャプチャー機器等については、USBバスは純粋に信号バスとしてのみ利用し、電力は機器側で用意する「セルフパワー」と呼ばれる接続手段を用いることとされた。

バスパワードのデバイスを多数接続、あるいはバスパワードのハブを使用して多段接続をすると、給電能力を超えるため、ポート側には給電をシャットダウンする機能が備わっている。ユーザー側でも不用意に過大なたこ足配線とならないよう、市販のバスパワー駆動のUSBハブは殆どが4ポート以下で構成されている。

USBポート、バスパワードのハブにおいて、給電能力を大幅に越えた合計消費電力となるポートの接続はサポートしておらず、最悪の場合、ハブやPC側のインターフェース・カードやバス、電源回路などの保護回路が作動するか、機器にダメージを与えることがある。

より電力消費の大きいデバイス

しかし市場では実際に、USBの普及に伴いこの僅かな供給電力を、2.5インチおよび1.8インチのポータブルハードディスクドライブ、また、消費電力の大きいDVD-Rの書き込みドライブ等のスピンドル媒体への供給電力に転用したり、携帯電話やPHSなどの電池充電用の電源として流用する例が目立ち始めた。

コンピュータ本体との接続ケーブルとAC電源を別に用意する煩わしさをなくすために、1本のケーブルで機器を接続したいというユーザーの要求は根強く、USBの給電能力を増強するべくPlusPowerという電圧と電流の拡張も検討されていた。しかし、安全性や互換性の問題などの指摘も相次いだことから正式に仕様には盛り込まれなかった。

PoweredUSB

この問題を解決するため、PoweredUSBという、USB 2.0ポートを拡張した規格がIBMより登場した^[39]^[40]。供給電圧5 V・12 V・24 V。最大電流は6 A。PoweredUSBに対応した接続ケーブルが必要とされる。しかし、2012年11月現在、この規格はUSB-IFから正式な承認を得られていない。

また、デバイスとは認識させず、電源のみを供給させる周辺機器も存在する。1台の機器に対して、2つのホストコネクターから2台分のバスパワーを供給するための特殊な二股ケーブルなどが該当する。

モバイル機器充電用規格

中華人民共和国情報産業部では2006年、携帯電話の充電器にUSBポートを設け、複数キャリア間でもACアダプターが共用できるようにする方針を打ち出している^[41]。

2007年4月には、USB経由での充電時間を短縮するための規格「Battery Charging Revision 1.0」が策定された^[42]。これは、充電器などが、USBのホストが大電流を流すことができるかを検知することで、従来のUSB 2.0規格における上限の500 mAを超える電流を得ることを実現する仕組みの規格である。

2009年6月に携帯電話の業界団体やEUでも携帯電話端末の充電器のコネクタにマイクロUSBを採用し、共通化する動きがでてきた^[43]^[44]^[45]。

給電専用ポートとしてのUSB

市場では、PCやセルフパワー型のハブのUSBポートからコンセントのように電力が得られる点を利用して、USBを電源供給にのみ用いる周辺機器が次第に登場するようになった。モバイル機器だけでなく、携帯ゲーム機、デジタルオーディオプレーヤー等の携帯機器用の充電器・充電用ケーブルや、小型扇風機、電灯といったデバイスとは認識されない周辺機器、中にはUSBから電源を得る利点がほとんど見出せないようなものも商品化されており、電気街の商品棚をにぎわせている。年末になると登場する卓上クリスマスツリーや、夏季の扇風機などはもはや風物詩でさえある。中には、USBによるバスパワー30本分（並列接続で15アンペア、計75ワット）を電源として用いる「焼き肉プレート」を自作した人物も存在する^[46]。これらの商品の中には、電力回路の設計が杜撰であったために、接続するだけでPCやスマートフォンのUSBポートを物理的に破壊してしまうような事例も存在した^[47]。

一方、これらのような「給電専用ポートとしてのUSB」タイプ周辺機器の展開を追う形で、単に電源を供給するために電力供給機能のみに限定した、USBポートと同一形状のコネクタを持つACアダプタや、充電式の電池や乾電池等を使用した給電ユニット等も発売されている。このような製品を使用することによって、外出時に機器ごとにACアダプタを持ち歩かずに充電可能で、かつ複数の機器を単一のACアダプタで使用することが出来る利便性がある。また国ごとに違うコンセントの形状や周波数・電圧等に対して機器側で対応するのではなく各国で市販されているUSBアダプタ側で対応できるためメーカーとしては輸出機械の設計が容易になるメリットも有る。壁面のコンセントボックスに埋め込んで給電用USBポートを提供するUSBコンセントも市販されている。

ただし、メーカーが保証している一部機種を除いて、これら「電力供給専用のUSBポート関連製品」を用いて充電することは機器メーカーの保証対象外となる。

また、これらの「給電専用ポートとしてのUSB」タイプ周辺機器と、通常のインターフェースとしてのUSBポートを接続する場合も、ほとんどが動作保証の対象外となる（そもそも、ホスト側の許可を得ずにターゲットが勝手に「電力を奪う」実装はUSB規格違反である）。

最近では、高性能なUSB電源供給能力を謳ったマザーボードも販売されている。

USB給電とセキュリティ

2010年代初頭から、カフェ、ホテル、空港、旅客機、鉄道や長距離バス・タクシーの車内で、利用者のスマートフォンの充電やノートパソコンの利用の便宜を図るため、電源を提供する例が増えている。

多くは商用電源の提供であるが、商用電源のプラグ形状や電圧は、国家や地域によって異なるため、海外旅行者が手持ちのACアダプタを使えない場合などに配慮して、壁面USBコンセントを使ったUSB電源の提供や、USB-ACアダプタの貸出を行っている場合もある。

しかしUSBは、もともとデータ通信用の接続規格として制定されたものであり、電力供給専用として使うことを想定された規格ではない。一見電力供給専用に見える機器・コネクタであっても、それが接続された機器からデータを抜き取ったり、コンピュータプログラムを送り込んだりしないと保証することは困難である。一部のUSB充電器は充電専用であることを明示するために、USBコネクタの樹脂部品部分に赤色や緑色、黄色といった色分けをしている（青色はUSB3.xの意であり給電用ではない）が、統一された規格ではないうえ、不正な機器が偽装のためこれらの色付きコネクタを使うことも容易に可能である。

そのため、情報機器からのデータの抜き取りやコンピュータウイルスへの感染を未然に防止する観点から、自宅などの信用できる場所以外の施設では、給電用にUSBポートが提供されている場合であっても、これらのUSB（USB-C, マイクロUSBやLightningなど、データ通信可能なケーブルの接続されたものや、貸出されたUSB-ACアダプタも同様）を使用せず、スマートフォンやタブレット端末の情報機器は、自前で純正アダプタを用意して、商用電源コンセントから充電することが、コンピュータセキュリティ上望ましい。

2023年 4月6日には、米国連邦捜査局 (FBI) も同様の注意喚起を行うツイートを行った^[48]。

USB ACアダプタ

2010年代以降、スマートフォンやUSB充電に対応したワイヤレスヘッドホンの登場とともにUSB ACアダプタが普及している。ただし、それ以前の2000年代でも、形状が今の時代とは異なるUSB ACアダプターが製造・使用されていたことがある。

スマートフォン用としては、一般にUSB Type-Aポートを持つUSB ACアダプタが登場したが、スマートフォンがUSB Type-Cポートをサポートするようになってからは、USB Type-Cポートを持つUSB ACアダプタも登場している^[49]。2019年頃より窒化ガリウム技術を採用することにより、小型軽量化が進み、複数のポートを搭載し、同時に2台以上のデバイスの充電に対応した製品も登場している^[50]。

なお、日本国内での使用を想定してUSB ACアダプタを購入する際には、特定電気用品PSEマーク、製造事業者等の名称、定格電圧、定格消費電力等の表示のある機器を選択すること^[51]。そのほか、メーカー（機器に自社のブランドを付けて販売している業者）が信用できるか、偽ブランド品ではないかなど留意するとともに、購入した覚えのない機器、出所の明らかでない機器は使用しないことが望ましい（前述のコンピュータセキュリティに対する懸念のほか、盗聴器が内蔵されているなどの懸念に対する防御のため）。

モバイル機器のUSB ACアダプタ
窒化ガリウム技術を採用したマルチポートUSB ACアダプタ

USBと接触不良

USBはUSB 1.0のころから接触不良が多く見られた。特にUSB 1.0では機器のオス側で接点面が上を向いた状況で使われると塵埃が乗ったり腐蝕性物質（塩分）の付着により接触不良となることが多い。また、たびたび端子の脱着を繰り返す間に金属枠の部分が変形し、接点の圧力が低下することが接触不良の原因となりうる。

スマホなどのモバイル機器ではUSBマイクロ端子が通信だけでなく、単に給電や充電に使われることが多いが、ポケットなどに入れることで端子に塵埃が入り込み接触不良となることがある。また脱着を繰り返すたびに金属枠が変形し、接点の圧力が低下することで接触不良となることもある。

接触不良が起こると単に給電や充電が不安定になるだけでなく、通信が不安定になることで、例えばハードディスクやUSBメモリーなどでは深刻で、単にデーターエラーとなるだけでなく、時に不可逆なハードエラーとなることがある。

まず、接触不良が起きた場合には端子の金属枠が変形していないか確認する必要がある。多くは脱着により端子枠が変形して広くなり、接点の圧力が低下する方向なるので用手的に金属枠を狭くすることで解決することがある。

接点の塵埃や腐蝕に対しては、エアを吹く以外に適切な解決方法がないが、コンタクトRと称してレシートを用いて接点を研磨する方法が報告されている^[52]。これはレシートに塗られた炭酸カルシウムの層により接点の塵埃や酸化物を研磨してとりさる方法である。簡便で入手しやすく、非導電のため接点のショートなどの危険が無いのが特長である。

脚注