MCPC TR-021 USB 充 電 インタフェース 安 全 設 計 ガイドライン Version 1.00 2014 年 10 月 8 日 モバイルコンピューティング 推 進 コンソーシアム 技 術 委 員 会
Copyright 1997-2014 Mobile Computing Promotion Consortium (MCPC) 変 更 履 歴 日 付 Version 変 更 内 容 2014 年 10 月 8 日 1.00 Base version initial release. i
ドキュメント 発 行 者 および 著 作 権 者 : 105-0011 東 京 都 港 区 芝 公 園 3-5-12 長 谷 川 グリーンビル モバイルコンピューティング 推 進 コンソーシアム (MCPC) 電 話 :03-5401-1935 FAX:03-5401-1937 EMAIL:office@mcpc-jp.org WEB SITE: http://www.mcpc-jp.org 機 密 保 持 について: MCPC 会 則 IP Policyを 遵 守 する 免 責 について: 本 ドキュメントはモバイルコンピューティングに 関 する 標 準 仕 様 推 奨 仕 様 などを 提 供 するもので モバイル コンピューティング 推 進 コンソーシアム( 以 下 MCPCとする)は 本 ドキュメントを 使 用 した 結 果 発 生 した 損 害 第 三 者 の 特 許 またはその 他 の 権 利 の 侵 害 に 対 して 一 切 の 責 任 を 負 わない また 本 ドキュメントは MCPC または 第 三 者 が 保 持 するいかなる 権 利 のライセンスを 許 諾 するものではない 2 進 数 10 進 数 16 進 数 の 表 記 方 法 : 2 進 数 は 小 文 字 b を 付 加 する ( 例 :10b) 2 進 数 4 桁 以 上 は4 桁 ごとにスペースで 区 切 る ( 例 :1000 0101 0010b) 16 進 数 は 小 文 字 h を 付 加 する ( 例 :FFFFh and 80h) その 他 の 数 字 表 記 は10 進 数 とする キーワード することができる 推 奨 または 要 求 に 自 由 な 選 択 肢 を 示 す してもよい (may) すべきである 必 須 ではないが 強 い 推 奨 を 示 す 実 施 の 際 必 須 ではないが 考 慮 すべき (should) しなければならない 必 須 要 求 を 示 す 接 続 性 仕 様 準 拠 のために 必 ず 実 施 しなければならない (shall) アプリケーションノート ドキュメントに 実 施 例 を 記 載 する 場 合 は 下 記 の 通 り 記 載 すること: アプリケーションノート: 実 施 例 記 入 ii
Table of Contents 1. はじめに... 1 2. USB 充 電 で 発 生 する 事 故 例... 1 3. USB 充 電 機 能 概 要... 2 3.1 USB 充 電 が 行 われる 環 境 と 本 書 のサポート 範 囲... 2 3.2 USB 充 電 インタフェース 仕 様 概 要... 3 4. USB 充 電 安 全 設 計 仕 様... 4 4.1 電 源 入 出 力 パラメータ... 4 5. USB 充 電 安 全 設 計 パラメータ 一 覧... 5 5.1 電 源 入 出 力 パラメータ... 5 5.2 充 電 機 器 の 安 全 性 の 規 定... 6 5.3 被 充 電 機 器 の 規 定... 7 6. USB 充 電 インタフェースを 設 計 する 時 の 注 意 点... 8 6.1 ACアダプタ 要 件... 8 6.2 モバイルバッテリ 要 件... 8 Appendix A. 標 準 仕 様 など 参 照 文 献 (Normative)... 9 Appendix B. 充 電 端 子 間 ハーフショートエラーと 対 策 例... 10 Appendix C. 関 連 仕 様 ( 本 版 では 対 象 外 )... 11 iii
Table of Figures 図 3-1 USB 充 電 関 連 機 器 例 と 本 版 での 適 用 範 囲... 2 図 3-2 充 電 機 器 と 被 充 電 機 器... 2 iv
Copyright 1997-2014 Mobile Computing Promotion Consortium (MCPC) 1. はじめに USBインタフェースが 多 くの 機 器 で 充 電 インタフェースとして 使 用 され 特 にMicro USBインタフェースは スマート フォンなどに 広 く 普 及 している これに 伴 い 安 全 性 の 考 慮 が 不 足 している 充 電 機 器 との 接 続 や 利 用 者 の 使 い 方 起 因 により 充 電 端 子 の 焼 損 や 発 熱 などの 事 例 も 散 見 されるようになった 本 仕 様 書 は Micro USBインタフェースにおける 充 電 に 関 する 安 全 性 向 上 充 電 端 子 の 焼 損 や 発 熱 の 抑 制 を 目 的 に 充 電 機 器 及 び スマートフォンなどの 被 充 電 機 器 に 対 する 要 求 を 規 定 する 本 仕 様 書 は 上 記 目 的 を 達 成 するためのベースラインと 位 置 づけることとし 本 仕 様 書 発 行 後 は 認 証 を 目 的 とした 試 験 仕 様 の 策 定 や 利 用 者 に 正 しい 充 電 方 法 等 を 訴 求 するガイドライン 策 定 を 予 定 する 2. USB 充 電 で 発 生 する 事 故 例 USB 充 電 で 発 生 する 事 故 事 例 を 記 載 する 本 仕 様 書 は このような 事 故 を 抑 制 することが 目 的 である 1 充 電 端 子 のハーフショート コネクタ 端 子 に 導 電 性 異 物 ( 金 属 や 水 分 )が 付 着 したり それによる 金 属 の 腐 食 が 要 因 となりコ ネクタ 端 子 間 やコネクタ 端 子 とコネクタシェル 間 が 半 通 電 状 態 となり それに 伴 う 電 流 により 発 熱 や 焼 損 となる 可 能 性 がある なお 本 書 では Micro USB コネクタの 電 源 関 連 (Vbus,GND) 端 子 及 びコネクタシェルを 含 めて 充 電 端 子 と 表 記 する 2 Micro USB コネクタの 変 形 による 端 子 のショート コネクタの 取 り 扱 い 不 良 などにより コネクタ 端 子 やコネクタ 本 体 を 変 形 させショートに 至 る 充 電 機 器 にショート 保 護 機 能 が 実 装 されていない 場 合 は 発 熱 や 焼 損 となる 可 能 性 がある 3 指 定 外 充 電 機 器 の 利 用 や 被 充 電 機 器 の 接 続 充 電 機 器 と 被 充 電 機 器 は 双 方 の 電 気 的 仕 様 が 一 致 する 必 要 があり 充 電 ケーブルは 充 電 機 器 と 被 充 電 機 器 が 指 定 するものを 利 用 する 必 要 がある 指 定 外 の 充 電 機 器 やケーブルの 利 用 は 電 気 的 不 一 致 や 絶 縁 不 良 によるショート 及 び ケーブ ル 自 体 のインピーダンスにより 発 熱 や 焼 損 となる 可 能 性 がある 4 過 電 流 / 過 電 圧 保 護 機 能 が 実 装 されていない 充 電 機 器 の 接 続 過 電 流 / 過 電 圧 保 護 機 能 が 実 装 されていない 充 電 機 器 での 充 電 は 充 電 機 器 の 能 力 以 上 の 電 流 が 流 れることにより 発 熱 や 焼 損 となる 可 能 性 がある 1
3. USB 充 電 機 能 概 要 3.1 USB 充 電 が 行 われる 環 境 と 本 書 のサポート 範 囲 USBインタフェースは PC 等 のホスト 機 器 と 外 部 機 器 をケーブルで 接 続 してデータ 通 信 を 行 う 事 を 目 的 として USB Implementers Forumが 開 発 した 仕 様 である 外 部 電 源 を 持 たない 小 型 の 外 部 機 器 も 接 続 できるようにする ために 通 信 信 号 の 他 に 電 源 も 供 給 しているのが 特 徴 である その 後 USBインタフェースがPCに 広 く 浸 透 してきた 事 により 通 信 インタフェースとしてのみならず 電 力 供 給 イ ンタフェースとしても 注 目 されるようになり 携 帯 電 話 やスマートフォンを 始 めとした 小 型 機 器 では 共 通 の 電 源 インタ フェースとしても 認 識 されてきている またUSBインタフェースを 搭 載 した 被 充 電 機 器 に 電 力 を 供 給 する 給 電 デバイスも 使 用 場 所 や 目 的 により 多 様 な ものが 出 てきている その 中 から 本 書 では 本 書 出 版 時 点 で 使 用 頻 度 が 高 いと 思 われる 環 境 について 考 察 を 行 う またUSB 充 電 仕 様 についても 本 書 出 版 時 点 で 市 場 に 浸 透 しているUSB Implementers ForumのBattery Charging Ver1.2を 前 提 とする 図 3-1 USB 充 電 関 連 機 器 例 と 本 版 での 適 用 範 囲 図 3-2 充 電 機 器 と 被 充 電 機 器 2
3.2 USB 充 電 インタフェース 仕 様 概 要 (1)ACアダプタからの 充 電 : 参 照 仕 様 書 [BC1.2] デディケーテッドチャージングポート(Dedicated charging port 以 降 DCP)は 通 信 をまったく 行 わない 充 電 専 用 の ポートである ACアダプタなどホストとエニュメレーションを 行 わない 電 源 について 規 定 される 被 充 電 機 器 はDCPから 最 大 1.5Aの 受 電 が 可 能 であり D+とD- 端 子 の 短 絡 によって 識 別 される 3
4. USB 充 電 安 全 設 計 仕 様 4.1 電 源 入 出 力 パラメータ 本 パラメータは 充 電 機 器 に 対 する 基 本 的 な 電 気 的 条 件 を 規 定 する 直 接 充 電 に 対 する 安 全 性 を 向 上 させるパラメータではないが 基 本 的 な 設 計 指 針 として 規 定 する (1) 電 源 装 置 パラメータ ここでは AC アダプタを 前 提 に 直 流 電 源 装 置 としてのパラメータについて 規 定 する 直 流 電 源 装 置 としてのパラメータについては 電 気 用 品 安 全 法 の 規 定 に 適 合 していることが 前 提 である 本 書 ではより 安 全 / 安 定 して 動 作 させるための 奨 励 動 作 環 境 を 記 載 している (2)USB 出 力 パラメータ 被 充 電 機 器 側 への USB 出 力 に 対 するパラメータについて 規 定 する DCP を 基 本 とするが 本 書 ではより 安 全 / 安 定 して 動 作 させる 為 の 推 奨 仕 様 を 記 載 している 4
5. USB 充 電 安 全 設 計 パラメータ 一 覧 5.1 電 源 入 出 力 パラメータ No. 項 目 仕 様 参 照 / 照 会 元 仕 様 / 備 考 1 定 格 入 力 電 圧 ACアダプタ AC100V/240V [ 電 安 法 ] ACアダプタ 以 外 の 充 電 機 器 は 用 途 旅 行 者 利 用 での 故 障 を 想 定 して により 接 続 先 の 要 求 に 従 うこと 240V まで 対 応 とする 2 動 作 入 力 電 圧 範 囲 動 作 保 証 できる 電 圧 範 囲 を 以 下 の 通 り 規 定 する ACアダプタ 90V~264V ACアダプタ 以 外 の 充 電 機 器 は 用 途 により 接 続 先 の 要 求 から±10%のマー ジンを 持 つこと 3 定 格 周 波 数 50/60Hz [ 電 安 法 ] 4 定 格 出 力 電 圧 定 格 出 力 電 流 までの 電 流 範 囲 におい て 出 力 端 (*)にて5V±5% (*) 出 力 端 は 以 下 のように 定 義 する 1. 充 電 機 器 とケーブルが 一 体 となって おり ケーブルの 脱 着 が 不 可 能 な 場 合 はケーブル 端 (マイクロBコネクタ 端 ) 2. 充 電 機 器 とケーブルは 分 離 できる が 充 電 機 器 とケーブルを 接 続 するコ ネクタがUSBコネクタ(タイプA) 以 外 の 場 合 はケーブル 端 (マイクロBコネクタ 端 ) 3. 充 電 機 器 にUSBコネクタ(タイプA)が 実 装 されており ケーブルを 同 梱 しない 場 合 は 充 電 機 器 のコネクタ 端 (タイプA 端 ) 4. 充 電 機 器 にUSBコネクタ(タイプA)が 実 装 されており ケーブルを 同 梱 してい る 場 合 はそのケーブル 端 (マイクロBコ ネクタ 端 ) 5 定 格 出 力 電 流 定 格 表 示 された 定 格 電 流 が 出 力 できる こと 5
6 負 荷 変 動 時 の 出 力 電 圧 オーバーシュー ト 7 負 荷 変 動 時 の 出 力 電 圧 アンダーシュー ト 無 負 荷 ~ 定 格 負 荷 の 範 囲 における 負 荷 変 更 環 境 で6.0Vmaxとすること 無 負 荷 ~ 定 格 負 荷 の 範 囲 における 下 記 の 負 荷 変 更 環 境 で4.1V 以 上 とするこ と I DCP_LOW ~I DCP_MID の 範 囲 I DCP_MID ~I DCP_HI の 範 囲 なお I DCP_LOW =0~30mA I DCP_MID =30~100mA I DCP_HI =100mA~ 定 格 負 荷 [BC1.2] Section4.1.1 (VCHG_OVRSHT=6.0V) [BC1.2] Section4.4.2 (VCHG_UNDSHT=4.1V) 5.2 充 電 機 器 の 安 全 性 の 規 定 No. 項 目 仕 様 案 参 照 / 照 会 元 仕 様 8 絶 縁 抵 抗 3MΩ 以 上 [ 電 安 法 ] 9 正 常 動 作 中 にユーザが 触 れる 事 が 出 来 る 部 分 の 温 度 上 昇 充 電 機 器 本 体 の 表 面 温 度 は 70 以 下 と すること ( 周 辺 温 度 30 にて 温 度 上 昇 ΔT=40deg 以 下 ) [ 電 安 法 ] 10 漏 洩 電 流 IEC60950-1 の 測 定 回 路 を 用 いて 250μA 以 下 とする [60950-1] 11 火 災 の 防 止 充 電 機 器 を 構 成 する 素 材 ( 筐 体 ケーブ ル コネクタなど)において IEC/UL60950 4.7.3.2 (UL4.7.3.4)Body,Bush-V1 以 上 Cable-VW1 以 上 の 難 燃 グレードを 有 する こと 12 雷 サージ IEC61000-4-5 準 拠 とする [61000-4-5] 13 充 電 端 子 間 のハーフシ ョート 保 護 充 電 端 子 間 に 微 小 な 抵 抗 が 発 生 した 場 合 においても 発 煙 発 火 などが 発 生 しな いように 保 護 機 能 を 設 けること 対 策 例 は Appendix B.1 参 照 6
14 熱 こもりの 安 全 性 確 保 熱 を 篭 らせた 場 合 においても 不 安 全 とな らないこと 15 過 電 圧 保 護 無 負 荷 ~ 定 格 負 荷 の 範 囲 において 9V を 超 えないこと [BC1.2] Section4.1.5 (VCHG_FAIL=9.0V) 定 格 出 力 電 圧 が 4 項 に 相 当 する 充 電 器 に 対 しての 規 定 16 過 電 流 保 護 過 電 流 保 護 を 設 けること 過 電 流 保 護 は 定 格 出 力 電 流 の+30% 以 下 で 保 護 されることが 望 ましい 17 出 力 短 絡 保 護 出 力 短 絡 保 護 を 設 けること 18 ケーブル 充 電 専 用 ケーブルはプラグシェルを 直 流 的 に 接 地 しない 構 造 とすること 5.3 被 充 電 機 器 の 規 定 No. 項 目 仕 様 案 参 照 / 照 会 元 仕 様 19 充 電 端 子 間 のハーフシ ョート 保 護 充 電 端 子 間 に 微 小 な 抵 抗 が 発 生 した 場 合 においても 発 煙 発 火 などが 発 生 しない 様 保 護 機 能 を 設 けること 対 策 例 は Appendix B.2 参 照 20 充 電 端 子 の 腐 食 リスク の 回 避 充 電 機 器 等 の 接 続 が 無 い 場 合 は レセプタ クルの Vbus 端 子 に 回 路 電 圧 をかけないこ と 7
6. USB 充 電 インタフェースを 設 計 する 時 の 注 意 点 6.1 ACアダプタ 要 件 5 章 で 定 義 したパラメータのうち ACアダプタの 設 計 時 に 参 照 する 項 目 は 以 下 の 通 りである 5.1 章 項 目 1~7 ( 全 項 目 ) 5.2 章 項 目 8~18( 全 項 目 ) 6.2 モバイルバッテリ 要 件 5 章 で 定 義 したパラメータのうち モバイルバッテリ 設 計 時 に 参 照 する 項 目 は 以 下 の 通 りである 5.1 章 項 目 4~7 5.2 章 項 目 9,11,13~18 8
Appendix A. 標 準 仕 様 など 参 照 文 献 (Normative) [60950-1] IEC60950-1 Information technology equipment Safety Part 1: General requirements [61000-4-5] IEC61000-4-5 Electromagnetic compatibility (EMC) Part 4-5: Testing and measurement techniques Surge immunity test [BC1.2] Battery Charging Specification Revision 1.2 by USB Implementers Forum [USB2.0] Universal Serial Bus Specification Revision 2.0 by USB Implementers Forum [USB3.1] Universal Serial Bus Specification Revision 3.1 by USB Implementers Forum [ 電 安 法 ] 電 気 用 品 安 全 法 9
Appendix B. 充 電 端 子 間 ハーフショートエラーと 対 策 例 B.1 充 電 機 器 での 対 策 例 充 電 機 器 はコネクタ 先 端 等 で 焼 損 火 傷 の 危 険 が 伴 う 異 常 発 熱 を 防 止 するために 温 度 保 護 機 能 を 設 ける こと 充 電 機 器 は 充 電 端 子 間 のハーフショート 発 生 時 にも 電 気 特 性 的 に 異 常 発 熱 を 回 避 する 回 路 特 性 とすること 参 考 例 垂 下 特 性 の 終 端 電 圧 を 十 分 に 大 きくする もしくは 垂 下 特 性 を 無 しとする ショート 保 護 に 入 ってからの 自 動 復 帰 (オートリスタート)のパルス 周 期 を 十 分 に 長 くする もしくは 自 動 復 帰 なしとする B.2 被 充 電 機 器 での 対 策 例 被 充 電 機 器 にて 以 下 の 対 策 例 1あるいは 対 策 例 2を 実 施 し かつ 本 書 に 準 拠 した 充 電 器 を 使 用 すること により 充 電 端 子 間 ( 特 にコネクタの 電 源 関 連 端 子 とコネクタシェル 間 )に 微 小 な 抵 抗 が 発 生 した 場 合 において も 発 煙 発 火 等 の 発 生 を 防 止 することが 可 能 になる 対 策 例 1 被 充 電 機 器 のMicro USBコネクタ(レセプタクル)の 導 電 性 コネクタシェルを 基 板 のGNDに 直 接 接 地 せずに コネクタシェルと 基 板 GND 電 極 の 間 にコンデンサを 実 装 する 但 し USBデータ 通 信 への 影 響 を 考 慮 して 容 量 値 を 決 めることが 望 ましい 対 策 例 2 被 充 電 機 器 のMicro USBコネクタ(レセプタクル)の 導 電 性 コネクタシェルを 基 板 のGNDに 直 接 接 地 せずに コネクタシェルと 基 板 GND 電 極 の 間 に 正 の 温 度 係 数 を 有 するPTC(Positive Temperature Coefficient)サー ミスタを 実 装 する 10
Appendix C. 関 連 仕 様 ( 本 版 では 対 象 外 ) これらについては 本 書 の 将 来 の 改 版 時 に 検 討 を 行 う 予 定 である (1)USB 通 信 を 行 いながらのPC 本 体 ポート/ USB-HUBから 充 電 する 場 合 参 照 仕 様 書 [USB2.0] / [USB3.1] / [BC1.2] スタンダードダウンストリームポート(Standard downstream port 以 降 SDP)は USBホストとデバイス 間 でデータ 通 信 と 給 電 が 同 時 に 実 行 できる 動 作 モードと 供 給 できる 最 大 電 流 は 以 下 のように 定 義 されている USBホストが 設 定 した 動 作 モード USB2.0 ローパワー 動 作 (Full Speed / High Speed) USB2.0 ハイパワー 動 作 (Full Speed / High Speed) USB3.xローパワー 動 作 (SuperSpeed / SuperSpeed Plus) USB3.xハイパワー 動 作 (SuperSpeed / SuperSpeed Plus) 上 流 ポートから 吸 入 可 能 な 最 大 電 流 参 照 仕 様 備 考 100mA [USB2.0] 上 流 ポートがバスパワーハブ の 場 合 500mA [USB2.0] 上 流 ポートがセルフパワーハブ 又 はルートポートの 場 合 150mA [USB3.1] 上 流 ポートがバスパワーハブ の 場 合 900mA [USB3.1] 上 流 ポートがセルフパワーハブ 又 はルートポートの 場 合 SDP モードで 被 充 電 機 器 が 受 電 可 能 な 電 流 値 (2)USB 通 信 を 伴 わないPC 本 体 ポート/ USB-HUBからの 充 電 : 参 照 仕 様 書 [BC1.2] チャージングダウンストリームポート(Charging downstream port 以 降 CDP) は パソコンなどのホストからSDP より 大 きな 電 流 を 扱 える CDPは 最 大 1.5Aを 供 給 可 能 で エニュメレーションの 前 にこの 電 流 を 供 給 可 能 である CDPは D+およびD-ラインの 操 作 と 監 視 によって 実 装 されるハードウェアのハンドシェイクを 使 用 してCDPを 認 識 することができる 11
(3) 本 版 発 行 時 点 での 新 充 電 インタフェース: USBインタフェースからの 充 電 仕 様 については より 急 速 な 充 電 を 可 能 にする 機 能 や 充 電 ステータスをモニタす る 機 能 等 の 追 加 が 行 われており 順 次 公 開 されている 本 版 出 版 時 に 公 開 されている 仕 様 の 例 を 以 下 に 示 す 仕 様 名 Universal Serial Bus Power Delivery Specification Revision 2.0, V1.0 Universal Serial Bus Type-C Cable and Connector Specification Revision 1.0 仕 様 概 要 USB Implementers Forum 発 行 Vbus 電 圧 変 更 によるUSBインタフェースへの 供 給 電 力 増 加 と 充 電 ステータスモニタ 他 USB Implementers Forum 発 行 USB 新 コネクタ USBインタフェースへの 供 給 電 力 増 加 本 版 出 版 時 点 で 公 開 されている 新 USB 充 電 インタフェース 仕 様 12