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파워전달을 위한 C타입 - USB PD 본문
요즘 USB-C타입 단자를 주위에서 보는것이 그리 어려운 일은 아닙니다. 당장 제가 글을 쓰는중인 휴대폰과 노트북도 C타입 단자를 쓰고, 무선이어폰, 보조배터리, sd카드 리더기, 전자담배, esp32 개발보드, 심지어 요즘 직류를 받아쓰는 각종 모듈조차 C타입을 달고 나오는 등 주위를 둘러봐도 2026년 현재 안쓰이는 곳이 없죠.
C타입 포트가 편하긴 합니다. USB-A(우리가 흔히 데이터 전송 USB라고 부르는 것이 이걸 가르키지요.)는 크기가 크고 뒤짚어 끼울 수 없고(Uh Ssibal Bandaene 죄송합니다.), USB-B의 경우 규격의 경우 여러가지 버전이 있지만 하나같이 나사빠진 점이 있습니다. 그러나 USB-C의경우 빠른전송속도(40Gbps), 높은 전력공급(240W), 높은 내구도, 높은 결합력, 호스트와 게스트구별에 관대함, 뒤짚에서도 사용가능 등 매우많은 장점을 가지고 있고, 일반 사용자 입장에서는 딱히 결격사유가 없습니다. 그래서 제 생각에는 아마 당분간 C-type을 완전히 대체할 단자는 없을 것 같아요.
서론이 길었는데 오늘은 이중에서도 C타입 단자의 전력공급에 대해서 알아보겠습니다. 다른거보다도 C타입을 쓴다고 하면, 대부분 전력공급을 위해 쓸 것입니다. 당장 저희가 휴대전화를 충전하는 것부터 말이죠. 그러나 이렇게 단순히 충전하는 것도 실제로는 충전입력과 출력핀 간의 많은 통신이 오가서 이루어지는 것입니다. 여기서 3가지의 경우를 알아보겠습니다.
통신불가: 우리가 보기에는 연결이 된것같지만 연결조차 되지 않거나, 인식을 하지 못하는 경우입니다. 따라서 아예 전력공급을 하지 못합니다.
통신실패: 전력공급용 C타입인건 알겠는데 어떤 전력이 적절한지를 모릅니다.(만약 9V짜리 PD인데 15V를 넣으면 기기가 고장나겠죠? 그래서 필수적인 절차입니다.) 따라서 가장 낮은 전압인 5V를 전송합니다.
통신성공: 오늘은 이것들 중 가장 많이쓰이는 통신규약인 PD를 알아보겠습니다.
USB Power Delivery
이름 그대로 전력(Power)을 전송(Delivery)하는 규격입니다. 앞글자만 따서 PD라고도 부릅니다. 여기서는 PD통신을 가능하게 하는 칩(E-Marker)이 있는 소켓(꽂히는 곳)과 핀(꽂는 것)을 각각 PD소켓과 PD핀으로 부르겠습니다.
PD핀과 PD소켓이 만나 물리적으로 연결이 되면 이 둘 사이에서는 통신이 일어납니다.
→ PD소켓에서 특정 전압을 받을 수 있음을 PD핀에게 알려줍니다.
→ PD핀은 받을 수 있는 전압 리스트와 자신이 보낼 수 있는 전압을 비교합니다.
여기서...
→ 일치하는 전압이 있다: 해당 전압을 송전
→ 불일치하다.: 기본전압인 5V를 송전
이게 기초적인 PD의 원리입니다.
이것 외에도 E-Marker에는 과전류, 과전압 차단 등 여러 부가기능들을 넣어놓기도 합니다.
헷갈림 주의: 위에서 설명하듯, PD는 전력통신에만 쓰입니다. 딱 PD만 가능한 케이블이라면 데이터전송은 불가능합니다.
아래 사이트는 USB PD의 사이트입니다. 한번 가보셔도 좋을 것 같아요.
https://www.usb.org/usb-charger-pd
USB Charger (USB Power Delivery) | USB-IF
USB has evolved from a data interface capable of supplying limited power to a primary provider of power with a data interface. Today many devices charge or get their power from USB. USB has become a ubiquitous power socket for many small devices such as ce
www.usb.org
C타입과 USB PD
제가 맨앞에서 거의 C타입을 찬양하다시피 말을했다가, 중간에 PD에 대해서 급선회를 하였습니다. 그리고 PD를 설명할 때 단 한번도 C라는 용어를 꺼내지 않았습니다.(진짜임. ctrl+F로 찾아보셈.) 여기서부터는 USB-C와 PD가 무슨 관계인지, 제가 이걸 왜 제목으로 했는지 설명하겠습니다.
USB라는 이름에서 알 수 있듯, 저희가 옛날에 사용하던 USB-A, USB-B에서도 사용'은' 가능했었습니다. 그러나 USB-A는 데이터 전송이 주 목적이고, 단자자체가 크며, DC barrel같은 더 강하고 정확한 대체 단자가 있었기에 잘 사용되지는 않았습니다. USB-B의 경우 단자가 통일화되지 않았고, 연결부가 취약하며(B를 여러번 쓰면 단자가 헐렁헐렁해지는데, 이때 조금만 전압이 바뀌어도 PD가 통신실패를 일으켜서 낮은 전력을 공급하게 됩니다.), USB-B가 쓰인 환경 자체가 큰 전력을 필요로 하지 않았기때문에 그리 자주 쓰이지 않았습니다.(단적인 예시로, 휴대전화에 DC barrel이나 노트북에 충전용 USB-B가 있는 경우는 사실상 없었습니다.) 이러한 이유로 수요도 별로 없으며, PD특성상 핀이나 소켓 둘중 하나라도 PD가 없으면 큰 전력을 인가하지 못하기에 크게 대중화되지는 않았습니다.
그러나 USB-C는 설계부터 데이터전송, 고출력 등 여러 목적에 범용적으로 사용할 수 있게 개발되었고, 그 덕분에 USB-C에서는 쉽게 PD를 넣을 수 있었습니다. 특히 이러한 장점을 높게사서, C-type에 대한 애플과 삼성같은 큰 기업이 투자를 많이하여 대중화 될 수 있었습니다. 이 덕분에 현재 PD규격의 95%이상은 C-type이 점유하고 있습니다.
역시 간단한 회로 실험을 해보았습니다. 확실히 C-type으로 규격이 통일되어 있으니, 다루기가 편하더라고요.
실험장비: GAN100W-GND 100W 컨버터, 2m 샤오미 100W PD충전 케이블 C타입 - 이 두개를 연결해서 PD전력 공급장치로 사용할 것입니다.
각 상황마다 모듈의 전압 출력단을 멀티미터로 측정하는 실험입니다. (혼자서 하느라고 핀잡고, 카메라잡고를 두손으로 해서 멀티미터 리드단이 잘 안찍혔어요. 양해부탁드릴게요.)
1. 통신불가 - 전력전송실패
사용한 모듈은 아무기능 없는 C-type 커넥터 입니다. 말 그대로, C타입 케이블과 접촉 시 특정핀만 사용가능하도록 외부로 핀을 빼놓은 것입니다. 즉 케이블에 있는 C타입의 특정 핀을 길게 연장시킨, 말 그대로 도선같은 역할만 한다고 봐도 됩니다. 당연히 어떠한 것도 할 수 없기에(사실상 도선이니까 - 사실상 그냥 도체덩어리니까) PD케이블은 통신조차 시도하지 못하고 아예 전력을 공급하지 못합니다. 따라서 멀티미터 측정결과 0V가 나옵니다.
2. 통신실패 - 5V전송
이번에 사용한 모듈은 C-type Breakout입니다. 이것도 단순히 C타입 단자 중 8개의 핀만 빼놓은 것이지만, 모듈 자체에 5.1kΩ의 저항이 내장되어 있어서, 연결된 부하가 없더라도 케이블 입장에서 "전력을 필요로 하는 상황이구나. 근데 어느정도인지는 모르겠다." 라고 생각하여 기본전압인 5V를 전송합니다. 그래서 사실, 5V만을 필요로 하는 회로에서는 일부러 통신실패나 PD 5V를 일으키는 목적으로 5V트리거 전용인 5.1kΩ을 붙여버리기도 합니다.
3. 통신성공 - 20V전송
여기서 사용한 모듈은 앞의 2개랑 다르게 실제 PD통신이 가능한 칩이 있는 PDC004(20V)라는 모듈입니다. 이 모듈은 모듈 특정 핀의 저항값을 읽어서 해당하는 전압을 우선으로 받습니다. 일단 PDC004에 PD케이블을 연결합니다. 그러면 앞의 2가지 상황과 다르게, 연결된 곳에서 20V를 출력받을 수 있는 상황인지를 물어봅니다. 컨버터와 케이블 둘 다 20V를 전송할 수 있기에 통신이 성공하고, 그렇게 20V를 내보낼 수 있습니다. 따라서 멀티미터로 양단을 측정하면 20V가 나옵니다.
번외 - C타입을 도선으로 사용
첫번째 실험에서 사용한 모듈의 번외편입니다. 첫번째 실험의 모듈은 단순한 도선이기에, 전력이 공급되지 않음을 확인하였습니다. 이건 보통의 C케이블도 마찬가지로 안정상의 이유로 전력을 공급하지 않습니다. 그러면 만약에 강제로 전력을 공급하면 도선이니까 읽힐까요? 이것을 위해, 저는 24VDC공급장치를 +,-극만 연결하는 C타입 핀에 연결하였습니다. 즉, 이것도 마찬가지로 통신기능은 전무한 일반 도선입니다.
당연히 회로 입장에서 연결은 그냥 전원 - 도선 - 도선 입니다. 정직하게 24V가 공급되겠죠?
생각해볼만한점: 저는 이 글을 읽는 여러분들이 이러한 호기심을 가지면 참 좋을 것 같습니다.
1. 실험사진에서 멀티미터에 전압이 찍혀있기에 전류가 흐르는 상태입니다. 그러나 케이블에는 왜 0W라고 표기될까요?
2. 제가 왜 220V에 꽂아서 DC를 전송하는 장치를 컨버터라고 불렀을까요? 그러면 여러분들이 쉽게 사는 USB충전기도 컨버터일까요?
3. PD케이블로 데이터 전송이 될까요?(아마 해보시면 대부분 될 것입니다.) 된다면 왜 될까요? (힌트: Capitalism, Capitalism, Capitalism)
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