| USB가 지원하는 전원 공급 규격 | ||||
| USB 2.0 | USB 3.2 | USB BC | USB Type-C | USB PD |
| [ruby(2.5W, ruby=5V 0.5A)] | [ruby(4.5W, ruby=5V 0.9A)] | [ruby(7.5W, ruby=5V 1.5A)] | [ruby(15W, ruby=5V 3A)] | [ruby(240W, ruby=48V 5A)] |
1. 개요
USB BC 1.2 스펙 PDFUSB Battery Charging(USB 배터리 차징, 약칭 "USB BC")는 USB 케이블을 통해 USB 단자를 가진 기기에 전력을 공급하는 규약(프로토콜)이다. USB 기본 스펙으로는 한계가 있던 전력 전달을 개선하기 위해, 그리고 각종 소형 전자기기들을 USB 충전기로 고속 충전하는 방식을 통일하기 위해 제정되었다. 그러나 스펙상 태블릿 컴퓨터를 충전하기엔 전력이 부족했기 때문에, 퀄컴 퀵 차지 같은 사설 규약이 더 널리 쓰이게 되었고, 후속 USB 표준으로 USB Power Delivery(이하 USB PD)가 제정되기에 이른다.
2. 역사
- USB BC 이전, 컴퓨터와 동기화하는 기기들이 USB를 이용하여 배터리 충전을 하기 시작한다.
- 2004.10 iPod classic 4.5세대가 출시되었고, 기기를 FireWire대신 USB(정확히는 Apple 30핀)로 충전하기 시작했다.
- 2007.1 iPhone(1세대)이 출시되었고, USB 충전기(A1205)로 충전하며 쓴다.
- 2007.3. Micro USB 단자와 USB BC rev 1.0이 제정되었다. USB BC가 제정되면서 컴퓨터가 아니라도 USB 포트를 달고 "전력만 공급할 용도의 기기" 즉 USB 전원어댑터를 USB 표준에 근거하여 만들 수 있게 되었다. Micro USB는 높아진 허용전류(0.5A→1.5A)를 감당하기 위해 견고한 결착력을 갖도록 디자인되었다.
- 2007.8. Nokia 5310 Xpress Music을 시작으로 NOKIA 휴대폰에서 USB BC로 기기를 충전하기 시작했다.
- 2009.2. GSMA, 2010.3. ITU에서 Micro USB 단자를 휴대폰 충전단자 표준규격으로 승인했다. USB/Micro USB가 휴대전화/스마트폰 충전 단자의 사실상 표준이 되는 서막이었다. 이로서 충전기에 의한 자원 낭비를 막는 데 한걸음 나아가게 되었다.
- 2009.4. USB BC rev 1.1가 제정되었다.
- 2010.1. iPad(1세대)가 출시되었고, 5V-2A 자체 전용 USB 충전기(A1357)를 제공한다. 일반 USB 충전기는 전력 소모량을 감당하지 못했다.
- 2010.9 갤럭시 탭(1세대)가 출시되었고 역시 5V-2A 자체 전용 USB 충전기(ETA-P10X)를 제공한다.
- 2010.12. USB BC rev 1.2가 제정되었다. 최종버전이다. 그러나 이 표준이(...)
- USB BC 이후
이렇게 한동안 삼성 Adaptive Fast Charging, 퀄컴 퀵 차지, USB PD의 고속충전 춘추전국시대가 이어졌다. 즉 삼성-LG-팬택-애플의 기기와 충전기가 맞지 않으면 고속충전 불가.
3. 동작 방식
USB BC의 특징으로는 5V 1.5A 높은 전력을 제공한다는 것이다. 일반 마더보드에서 별 부하 없이 제공할 수 있는 5V-500mA(USB2.0), 900mA(USB3.x) 스펙과 비교하면 훨씬 높은 전력을 제공할 수 있게 된다.USB BC는 세가지 방식의 충전 스트림이 존재한다.
- Standard Downstream Port (SDP): 5V-500mA(900mA)의 일반 USB 버전에 규정된 스펙대로 전력을 제공한다. 컴퓨터에 달린 일반 USB 포트들이 지원하는 충전스트림이라 보면 편하다. 당연히 충전에 아주 오랜 시간이 소요된다.
- Charging Downstream Port (CDP): 고속충전(5V-1.5A)을 하면서 데이터도 전송할 수 있다. 컴퓨터에 달린 USB 포트 옆에 고속충전마크(번개, SS 등)가 그려진 것들이 지원하는 충전스트림이라 보면 편하다.
- Dedicated Charging Ports (DCP): 5V-1.5A 전력을 제공한다. 컴퓨터가 아닌 USB 포트가 달린 충전기를 위한 규격이다. 당연히 데이터 전송따위는 없고, USB케이블 내 데이터 레인(D+ D-)은 고속 충전기 능력를 인식하는 용도에 할당된다.
USB BC는 USB 2.0 환경에서 동작할 수 있고(전선 4가닥), 컴퓨터가 없는 환경에서도 동작한다(전선 2~4가닥). 당연히 USB 3.x 환경(전선 4가닥 이상)에서도 동작한다. USB BC의 작동 원리(순서)는,
- 처음 USB를 꽂을 땐, 최대 5V-100 mA 제한을 가지고 기기와 충전기가 연결된다. 기기(스마트폰)은 짧은 시간 동안 연결된 기기(충전기, 마더보드, 보조배터리)가 무엇인지 정확히는 고속충전이 가능한지 아닌지 탐지한다.
- 데이터 케이블 반응이 없으면(끊어져 있으면) SDP 모드(저속충전)로 동작한다.
- 데이터 케이블이 단락(200 Ω)되어 있으면 충전기가 연결되었다 인식하고 DCP 모드(고속충전)로 동작한다.
- 데이터 케이블로부터 정해진 신호가 오면 CDP가 지원된다 인식하고 CDP 모드(고속충전)로 동작한다.
이를 보면, 단자의 핀이나 케이블 가닥을 빼먹을수록(원가절감) 저속충전만 가능해짐을 알 수 있다. 고속충전을 위해서는 기기와 충전기 간 통신을 해야 한다. 하지만 타협점으로, 별도 회로 설계 없이(돈 들일 일 없이) 정해진 규약대로 저항 몇 개만 잘 달면 고속충전(DCP)이 가능한 환경을 만들 수 있다. 이것이 바로 USB 충전 어댑터인 것이다.
조건이 단순하기 때문에 케이블 개조, 커널 개조, 특수 커넥터 삽입 등으로 USB의 데이터 선을 브리지시켜 충전 모드를 강제로 만들어 줄 수도 있다. 데이터 통신 단자를 막아버려서 강제로 충전 모드로 인식시킬 수 있고, 아예 칩이나 스위치를 달아 충전 모드와 데이터 모드를 선택하게 할 수도 있다. 원리는 케이블에 4가닥 전선이 있어서 전자기기가 "충전기의 저항"을 확인하고 DCP 모드로 들어가야 하는데, "고속충전 가능한 케이블"이라면서 2가닥 전선만 넣고 "데이터 전선 단락은 케이블 단자에서 시키는(눈속임 하는)" 즉 "케이블의 저항"을 확인하게 만드는 것.
이 방식을 응용하면 CDP를 지원하지 않는 마더보드에 스마트폰을 연결할 때 SDP 모드로 동작한다면 이 케이블로 강제로 DCP모드로 만들 수도 있다. 즉 구형 컴퓨터에 연결해도 고속충전이 가능해 지는 것.
단, 케이블 개조를 하여 고전류로 끌어 쓸 수 있게 만들 때 주의점이 있다. 개조된 케이블로 인해 USB 포트(전원 어댑터 또는 컴퓨터)의 전력 방출 능력을 오해한 전자기기는 높은 전류를 마냥 빨아먹는데, USB 포트가 충분한 전력공급 능력이 없으면 그 한계치 이상의 발열이 나고 기기가 망가질 수 있다. 이쪽이 고장날 수도 저쪽이 고장날 수도 둘 다 고장날 수도 있다.
4. 한계
앞서 USB BC의 특징으로는 5V 1.5A 높은 전력을 제공한다고 언급하였다. 하지만 당시 태블릿 컴퓨터나 외장 HDD 같은 기기는 10W 정도의 전력을 요구하여, 7.5W의 USB BC로는 이를 충분히 만족시킬 수 없었다. 이에 따라 각 제조사에서는 USB BC를 응용하여 사설 5V-2A 충전기들을 제작하여 스마트폰/태블릿에 번들로 제공하였다. 그 이후엔 충전시 발열을 잡기 위해(전류량을 줄이기 위해) 9V로 승압하여 충전하는 규격이 난립하였고 각 제조사들은 이러한 충전기를 번들로 제공하며 "정품 충전기"를 쓸 것을 권하고 있다. 호환을 위해 USB 충전기 방식을 도입했는데, 사설 규격으로 인해 기본적인 5V 0.5A 저속충전만 호환이 되고, 고속충전은 서로 호환이 되지 않는 상황이 이어졌다. 이 와중에 스마트폰과 태블릿 컴퓨터를 넘어 노트북 컴퓨터까지 USB로 충전하고자 하는 목소리가 커졌고, 이에 대응할 필요성도 생겼다.USB BC 1.2 이후로는 USB BC의 한계를 극복하고, USB-C 규격을 활용할 수 있는 USB Power Delivery (USB PD)로 넘어간다.
5. 여담
- 일부 안드로이드 커스텀 롬이나 요즘 폰의 경우 DCP를 인식 또는 활용해서 충전속도를 올리는 Fast charge 기능을 제공한다. DCP 설정을 위해 D+/D-를 점유하므로, 이것을 설정하면 컴퓨터에 USB 데이터 연결을 못 한다는 메시지가 뜰 것이다. 주의해야 할 점은, 메인보드가 높은 전류 방출을 지원 안 하는 경우인데, 폰 쪽에서 일방적 강제적으로 전력을 끌어다쓰면 컴퓨터 마더보드가 어떻게 될지는 당연히... 이 방식을 하드웨어적으로 구현하는 것이 안드로이드폰에 일반적인 GND와 데이터선(초록 흰색) 을 단락시키는 것이다. 다만 제조사마다 다른 종류의 저항이 데이터 라인으로 삽입되거나 인증 IC가 추가로 필요하다.
6. 관련문서
[1] 전력을 공급하는 보드 설계가 딱 스탠다드 인 경우.