USB-C 충전 및 필수 전력 관리 기능

May 20, 2026

Aimee Smith

(출처: So Pooney/stock.adobe.com; AI로 생성)

1960년대부터 21세기 초반까지 거의 모든 저전압 가전제품에는 대개 동축(배럴) 커넥터가 장착된 맞춤형 AC/DC 어댑터와 충전기가 제공되었다. 이러한 장치들은 AC 라인에서 직접 기기를 구동하거나(어댑터 모드) 기기의 배터리를 충전하는 데 사용되었다.

당시의 충전기는 정밀도가 낮고 조절 기능이 부족한 AC/DC 컨버터에 불과했으며, 단순히 충전 중인 배터리나 전력을 공급받는 기기에 전류를 밀어 넣는 방식이었다. 충전 전류와 전력 수준에 대한 제어는, 설령 기능이 있더라도 전력을 받는 본체 측에서 담당했다.

각 어댑터와 충전기 세트는 출력 전압과 최대 전류 정격이 다를 뿐만 아니라, 서로 다른 크기의 DC 커넥터를 사용했다 (그림 1). 이처럼 다양한 크기의 커넥터는 출력 전압을 제품에 "고정(Keying)"하여 전압 불일치로 인한 과전압 사고를 방지하기 위한 용도였다.

그림 1: 내경과 외경 차이가 미세하게 다른 이 동축 커넥터들은 수많은 제품의 AC/DC 충전기에 사용되었다. 특정 제품에만 호환되는 특성 때문에 사용자들에게 불편함을 주는 경우가 많았다. (출처: Rainer Knäpper, Free Art License)

일반적인 소비자들은 머지않아 다른 기기와는 호환되지 않는 수십 개의 어댑터로 가득 찬 서랍을 갖게 되었다. 아무리 정리 정돈에 능한 사람이라도 이 무질서한 수집품을 정리하는 것은 무의미했다. 제품 A의 어댑터는 전혀 관련 없는 제품 B에 사용할 수 없었기 때문이다. 전 세계 AC/DC 어댑터 및 충전기 시장은 불호환성과 사용자의 불만으로 가득 찬 세계였다.

이러한 상황은 초기 저전압 USB(Universal Serial Bus) 포트가 등장하면서 변하기 시작했다. 초기에는 여러 커넥터 옵션 중 하나를 사용하여 스마트폰을 충전하는 데 사용되었으며, 업계는 곧 USB Type-A와 Lightning 커넥터(애플이 2012년 아이폰, 아이패드, 에어팟 등 모바일 기기를 위해 개발한 독자적인 8핀 가역 커넥터) 등 몇 가지 표준으로 압축되었다.

급속한 진전이 진행된 2020년대

하지만 지난 몇 년 사이 충전 환경 전체가 극적으로 변화했다. '공통 충전기 지침(Common Charger Directive)'은 2024년 12월부터 유럽 연합(EU) 내에서 판매되는 휴대폰, 태블릿, 카메라를 포함한 대부분의 신규 휴대용 전자 기기에 유선 전원 및 충전을 위한 USB Type-C 커넥터 (그림 2) 사용을 의무화하는 규정이다.[1] 이 지침은 폐기물 최소화, 전력 팩 재사용 촉진, 비용 절감 및 상호 운용성 증진을 위해 USB-C 충전기를 채택하도록 전 세계적인 시장 압력을 형성했다.

그림 2: EU는 최대 240W(48V/5A)의 기기 충전 및 전원 공급을 위해 USB Type-C 커넥터를 의무화했다. (출처: Achira22/stock.adobe.com)

그 결과, USB-C는 스마트폰과 수많은 소비자 가전의 주된 유선 충전 커넥터가 되었다. USB-C 또는 USB Power Delivery(USB-PD)가 구현된 곳에서는 광범위한 기기와 전력 수준에 걸쳐 상호 운용 가능한 전력 공급이 가능하다. USB-C 커넥터는 역할이 정밀하게 정의된 24개의 접점 핀으로 구성된다 (표 1).

표 1: USB Type-C 리셉터클 핀아웃

GND	TX1+	TX1–	VBUS	CC1	D+	D–	SBU1	VBUS	RX2–	RX2+	GND
GND	RX1+	RX1–	VBUS	SBU2	D–	D+	CC2	VBUS	TX2–	TX2+	GND

결과적으로 충전기는 더 이상 USB-C 커넥터를 통해 부하에 전류를 전달하는 단순한 수동 전원이 아니다. 대신 전력 링크를 협상하고 결정하며 보호해야 한다. USB-PD는 5V, 9V, 15V, 20V와 같은 표준 전압을 정의한다. USB-PD 3.1 EPR(Extended Power Range)에서는 최대 240W 전력을 지원하는 48V 외에도 28V, 36V와 같은 추가적인 고정 전압 레벨이 존재한다.

USB-C 전원의 동작과 성능은 개별 공급업체의 구현 방식이 아닌 공식 표준에 의해 정의된다. USB-PD는 전압 및 전력 전달이 표준화되고 예측 가능하도록 보장한다. 주요 특징은 다음과 같다:

더 높은 전력 전송: 케이블 및 시스템 정격에 따라 SPR(Standard Power Range)에서 최대 100W, USB-PD 3.1 EPR에서 최대 240W를 지원한다.
동적 전력 조정: USB-PD는 연결된 기기의 요구 사항에 맞춰 전력 흐름을 동적으로 조정하여 효율적이고 안전한 충전을 보장한다.
양방향 충전: USB-PD는 전력의 송신 및 수신이 모두 가능하다.

USB-PD 장치 설계자는 어떠한 적합한 USB-C 부하와도 설계가 연동되도록 보장해야 한다. 또한 설계 시 장치와 부하가 수년의 수명 주기 동안 거칠게 사용되거나 남용될 수 있음을 고려해야 하며, 향후 USB-PD 사양의 진화에 적응할 수 있는 유연성도 갖추어야 한다.

제어 계층으로서의 Nexperia NEX52041

USB-PD 시스템은 다음과 같은 세 가지 중요한 아키텍처 문제를 인지하고 지원해야 한다:

USB-PD와 부하 간의 프로토콜 처리
전력 경로(Power-path) 제어
실제 환경의 오류 관리

이러한 과제를 해결하는 데 필요한 회로는 AC/DC 전력 단계와 물리적 USB-C 커넥터 사이에 위치하는 USB Type-C 및 PD 컨트롤러인 Nexperia NEX52041에 내장되어 있다 (그림 3).

그림 3: Nexperia NEX52041 USB Type-C 및 PD 컨트롤러는 USB-C 구현에 필요한 핵심 프로토콜 및 관리 기능을 제공한다. (출처: Nexperia)

NEX52041은 여러 기능 중에서도 CC(Configuration Channel) 핀을 통한 USB PD 통신과 D+/D−를 통한 기존 레거시 급속 충전 협상을 모두 지원한다.

또한 두 개의 전용 핀(CC1/CC2)을 통해 USB-PD 연결, 케이블 방향 감지 및 전력 협상을 관리하는 전원 공급 장치 애플리케이션용으로 설계되었다. 이 핀들을 통해 기기는 플러그 삽입 이벤트를 감지하고, 전력 역할(Source/Sink)을 결정하며, 5A 지원 e-marked 케이블이 있는 경우 최대 100W까지 전력 수준을 협상할 수 있다. 유효한 연결이 감지될 때까지 전력이 인가되지 않도록 보장하여 손상을 방지하는데, 이는 전통적인 "단순한" 충전기/전원 장치와는 큰 차이점이다.

NEX52041의 높은 통합 수준과 정교함 덕분에 필요한 개별 IC와 이산 소자의 수가 훨씬 줄어든다. 이는 점검 및 검증이 필요한 불확실성과 상호 의존성이 적은 시스템 설계로 이어진다. USB-PD 설계에 NEX52041을 사용하면 가전제품 어댑터 및 액세서리 장치와 같은 광범위한 애플리케이션을 지원할 수 있는 위치를 점하게 된다.

USB-C를 통한 전력 협상

USB-C 연결이 이루어지면 소스(Source) 기기와 싱크(Sink) 기기 간에 USB-PD 협상이 발생한다. 이 협상을 통해 PD 배치를 설정하고 전력 전달 모드와 값을 평가하는데, 이는 부하의 요구 사항과 USB 소스가 공급할 수 있는 능력에 따라 달라진다. 협상 과정의 일부로, 컨트롤러는 먼저 케이블 방향을 결정해야 한다. USB-C 커넥터는 양방향으로 삽입할 수 있고 핀 할당이 사전에 알려져 있지 않기 때문이다.

전반적인 PD 협상 과정은 복잡하지만 사용자에게는 완전히 보이지 않는다. 공유 계약을 체결하기 위해 복잡한 상호 작용 시퀀스를 사용하며, 높은 수준에서 이 협상은 예측 가능한 단계를 따른다.

협상 단계의 네 가지 주요 단계는 다음과 같다:

기기가 선호하는 전력 구성을 요청한다.
충전기가 자신의 성능과 대조하여 요청을 평가한다.
양쪽 기기가 최적의 전력 수준에 합의한다.
합의에 도달하지 못하면 5V/500mA의 안전한 전력 수준으로 기본 설정된다.

합의에 도달하면 실제 전력 전달 단계로 진행된다:

충전기는 협상된 전압과 전류로 전력을 공급한다.
기기는 전력 수신 상태를 모니터링하고 제어한다.
어느 한 쪽 기기가 변경을 요청하거나 연결이 끊어질 때까지 전력 전달이 지속된다.

레거시 장치 충전

USB-C PD 커넥터로 충전되거나 전원을 공급받는 모든 기기가 최신 고급 사양과 호환되는 것은 아니다. 일부 구형 기기는 단순 충전 및 연결을 위해 USB 소스에 의존한다.

최신 사양은 기존의 D+/D– USB 데이터 라인을 통해 전력 협상을 신호화함으로써 구형 표준 기기들을 지원한다. 이러한 유형의 신호 방식은 고전력 협상을 위해 CC1/CC2 라인을 사용하는 현대적 USB-C PD 방식 대신 충전기 유형을 식별하는 방식을 취한다. 또한 핫플러깅(전원이 켜진 상태에서 커넥터 삽입/제거), 케이블 고장, 협상 실패, 내장된 과전압 및 저전압 보호, 커넥터 핀의 최대 30V 내성(Nexperia NEX52041 고유 기능) 등 실제 환경의 연결 문제를 고려한다.

보호 기능이 보드 레벨의 추가 회로에서 컨트롤러 자체로 이동함에 따라 중요한 설계적 이점이 발생한다. 여기에는 자재 명세서(BOM)의 단순화, 검증이 필요한 경로가 줄어든 깔끔한 최종 제품 레이아웃, 그리고 더 넓은 기기 호환성이 포함된다.

하지만 고려해야 할 문제가 더 있다. 기존 충전기에서는 전류와 전력이 소스에서 부하로만 흐를 수 있었다. 이제 많은 연결 기기와 애플리케이션은 양방향 전류 및 전력을 요구한다. 예를 들어, 스마트폰 보조 배터리는 충전되는 동시에 스마트폰에 전력을 공급할 수도 있어야 한다. 내부 배터리가 있는 다른 액세서리도 마찬가지다. USB-C PD 프로토콜은 이러한 상황뿐만 아니라 피할 수 없는 '방전된 배터리(Dead-battery)' 시나리오까지 처리한다.

향후 전망

정적인 표준도 성공할 수 있지만, 변화와 향상을 허용하는 표준은 오늘날처럼 급변하는 세상에서 매우 중요하다. 이러한 이유로 USB-PD 컨트롤러에는 필요에 따라 기본 PD 표준에 기능을 추가하거나 공급업체 고유의 요구 사항 및 동작에 맞게 조정할 수 있도록 프로그래밍 가능한 메모리 규정이 포함되어 있다. 이러한 프로그래밍 가능성은 하드웨어 플랫폼의 수명을 연장하고 재설계 주기를 줄여준다.

USB-PD 확대의 또 다른 영역은 단일 USB-PD 장치가 여러 독립적인 부하(예: 스마트폰, 스마트워치, 보조 배터리 등)를 지원하는 멀티 포트 USB-C 충전기의 사용 증가를 인지하는 것이다. 필요한 멀티 포트 전력 공유 시스템을 제공하려면 단순한 복제가 아닌 정교한 조정이 필요하다.

이러한 요구 사항을 지원하기 위해 Nexperia NEX52041에는 컨트롤러 간 통신을 위한 I²C 인터페이스와 16kB의 MTP(Multiple-Time Programmable) 비휘발성 메모리를 갖춘 임베디드 마이크로컨트롤러가 포함되어 있다. 이를 통해 설계자는 외부 마이크로컨트롤러 없이도 동적 전력 분배 및 지능적 전력 할당을 위한 알고리즘을 통합할 수 있다.

엔지니어들의 NEX52041 활용을 지원하기 위해 Nexperia는 단일 USB-C PD 충전기용 레퍼런스 설계 보드 (그림 4)를 제공한다.

그림 4: NEX52041 레퍼런스 설계 보드는 NEX52041 IC의 모든 측면을 연결하고 평가할 수 있는 모든 기능이 갖춰진 도구이다. (출처: Nexperia)

이 레퍼런스 설계 보드의 출력은 USB-C 포트이며, 디코이(Decoy)를 사용하여 출력 전압을 조정한다. NEX52041 외에도 이 레퍼런스 설계에는 Nexperia의 NEX80605 고주파 공진형 플라이백 컨트롤러와 NEX81812 적응형 동기 정류 컨트롤러, 그리고 650V GaN HEMT, 100V MOSFET, 30V MOSFET이 포함되어 있다.

맺음말

USB 커넥터는 이제 단순히 연결된 기기를 충전하거나 데이터를 연결하는 "조금 스마트한" 포트가 아니다. 커넥터는 이제 동적이고 지능적인 시스템 수준의 역할을 수행하며, 컨트롤러는 기본 프로토콜 설정과 전원 또는 취급 부주의 문제로부터의 보호 그 이상의 기능을 수행한다. Nexperia NEX52041과 같은 IC는 AC/DC 전원 소스 단계와 커넥터 사이에서 고급 의사 결정 계층을 구현하는 핵심 요소다.

[1]

https://commission.europa.eu/news-and-media/news/eu-common-charger-rules-power-all-your-devices-single-charger-2024-12-28_en

저자 소개

빌 슈웨버(Bill Schweber )는 마우저 일렉트로닉스의 객원 필진이자 전자공학 엔지니어로, 전자 통신 시스템에 관한 세 권의 교재와 수백 편의 기술 기사, 오피니언 칼럼, 제품 특집을 집필했다. 과거에는 EE Times에서 여러 주제별 기술 웹사이트를 운영했으며, EDN에서는 수석 편집자와 아날로그 담당 편집자로 활동했다.

아날로그·혼합 신호 IC 선도 기업인 아나로그 디바이스(Analog Devices)에서는 마케팅 커뮤니케이션(홍보)을 담당하며 기술 PR의 양측을 모두 경험했다. 회사의 제품과 메시지를 언론에 소개하는 역할을 수행했을 뿐 아니라, 언론의 수신자로서 기업의 이야기를 받아들이는 역할도 맡았다.

그 이전에는 아나로그 디바이스의 기술 저널 부편집자를 지냈고, 제품 마케팅과 응용 엔지니어링 부서에서도 근무했다. 초기에는 인스트론(Instron)에서 소재 시험기 제어를 위한 아날로그 및 전력 회로 설계와 시스템 통합 업무를 직접 수행했다.

매사추세츠 대학교에서 전기공학 석사(MSEE), 컬럼비아 대학교에서 전기공학 학사(BSEE)를 취득했으며, 공인 전문 엔지니어(PE) 자격과 아마추어 무선 고급 등급 면허를 보유하고 있다. 또한 MOSFET 기초, ADC 선택, LED 구동 등 다양한 공학 주제를 다룬 온라인 강좌를 기획·작성·강의해왔다.