오늘 글에서 다룰 내용은, 물론 전원 공급 장치가 허용해야 하지만, USB-C 표준을 활용하여 전류를 공급 받는 단말 장치의 USB-C 커넥터, 즉 업스트림 포트(Upstream Facing Port, UFP)에 단 두 개의 저항만 달아서 최대 3A의 5V 전원을 얻는 간단한 방법에 대한 것입니다.
이 통신은 양방향으로 이루어집니다. USB-C 표준에는 전원을 공급하는 다운스트림 포트(Downstream Facing Port, DFP)에 대한 사양 표준도 있어서, 저항 두 개를 사용해 단말 장치에 공급 가능한 전류량을 알려줄 수도 있습니다. 하지만 이번 글에서 이 부분은 깊게 다루지 않겠습니다.
단말 장치와 전원 공급 장치가 디지털 핸드셰이크를 통해 전압을 5V 이상으로 높임으로써 더 높은 전력과 전류를 확보할 수 있는 USB PD(Power Delivery) 표준도 있습니다. 하지만 이는 이번 주제와 별개이므로 이 역시 다루지 않겠습니다.
이 글에서 설명하고자 하는 방법 아주 간단합니다. 단말 장치 커넥터의 두 CC(Configuration Channel) 라인과 접지 사이에 각각 5.1kΩ 1% 저항을 연결하면 됩니다. 그러면 최대 3A의 5V 전원을 사용할 수 있습니다.
이를 설명하기 위한 예시로, Sparkfun에는 USB-C 전원 공급 장치로부터 최대 3A를 공급받기 위해 필요한 저항 2개가 이미 장착된 USB-C 브레이크아웃 보드가 있습니다. 해당 부품과 회로도는 다음과 같습니다.
1568-1958-ND - Sparkfun USB-C 브레이크아웃 보드
본인의 운을 시험해 보고 싶은 게 아니라면, 15W를 감당할 수 있는 USB-C 케이블과 전원 공급 장치를 사용하고 있는지 반드시 확인하십시오.
이렇게 저항만 연결하는 방식은 다소 불안합니다. 태블릿, 노트북, 또는 구형 전원 어댑터에 특히 USB-A to USB-C 구형 어댑터 케이블을 사용할 경우, 과도한 전력을 요구할 수 있기 때문입니다. 구형 전원 공급 장치나 USB 허브에는 전류 조정 기능이 없어서 반도체가 과열 보호에 의한 셧다운 사이클링 상태에 빠지거나 심하면 타버릴 수도 있습니다.
전원 공급 장치의 전류 공급 능력에 대해서는 깊게 다루지 않으려고 했는데 어쩔 수가 없네요.
DFP와 UFP 장치가 모두 USB-C 규격을 준수하는 경우, 과전력 요구로 인한 장치 손상 및 소자 파손을 방지하기 위해 저항을 매개로 서로 통신하며, 그 메커니즘은 다음과 같습니다.
이미지 출처: 마이크로칩 애플리케이션 노트 - AN1953
전원을 공급하는 DFP에는 Rp 저항이, 단말 장치인 UFP에는 Rd 저항이 연결되어 있으며, 일반적으로 UFP와 DFP는 CC 포트 전압을 감지하는 메커니즘을 갖추고 있어, 감지한 전압에 따라 대응하고 동작합니다.
Rp와 Rd는 분압 회로를 형성해, 위 표의 Rp / Rd Connection 항목에 제시된 전압을 만듭니다. 따라서 만약 회로에 1.5A나 500mA만 필요하다면, DFP의 풀업 저항값을 조절하여 원하는 대로 맞춰 쓸 수 있습니다. 참고로 TI, STMicroelectronics, Cypress 같은 기업들은 이 모든 과정을 알아서 처리해 주는 USB-C 컨트롤러 솔루션을 제공하고 있습니다.
두께가 얇은 PCB 패턴이나 얇은 전선은 3A의 전류를 감당하지 못하므로, 내부 회로가 실제로 전류를 얼마나 소모하며 동작하는지 각별히 신경 써야 합니다. 혹시 몰라 2.5A짜리 속단형 퓨즈를 알려드리니 만약의 경우 사용을 고려해 보십시오. 디지키 부품 번호는 F6127CT-ND입니다.
이 방식이 다소 불안하다는 맥락에서, 몇몇 비양심적인 제조업체들이 USB-C 규격을 제대로 지키지 않고 사용해 왔다는 점도 언급할 필요가 있을것 같습니다.
절대로 권장하지 않는 행위 중 하나가 규격을 어기고 3A를 공급받기 위해 Rd 저항을 장착한 USB-A to USB-C 어댑터 케이블을 사용하거나 제작하는 것입니다. 과거 구글의 한 엔지니어는 USB-C 규격을 편법으로 개조한 제조업체들의 결과를 정리해 두었는데, 그 결과는 때로는 치명적일 정도로 좋지 않았습니다.
아직 구형 변환 어댑터가 널리 사용되고 있기 때문에, CC 포트의 전압을 감지해 필요에 따라 소비 전류를 줄이는 기능도 없이 3A를 요구하는 저항을 달아놓은 USB-C 포트가 탑재된 제품을 시장에 출시해서는 안 됩니다. 하지만 직접 회로를 만들었고 전원 공급 장치의 성능도 정확히 알고 있다면, 3A 전원으로 여러분의 LED는 더 밝게 빛나고 리튬 배터리도 더 빠르게 충전할 수 있을 것입니다.
만약 USB-C PD로 더 높은 전압과 출력을 사용해 보고 싶다면, 여러분의 요구 조건에 딱 맞을 만한 최대 100W를 지원하는 Sparkfun의 개발 보드가 있습니다.
STMicroelectronics의 STUSB4500을 사용하는 Sparkfun의 DEV-15801
저항을 이용한 수동적인 방식으로 USB-C에서 전력을 협상하는 방법과 USB PD 표준을 활용해 더 높은 전압을 사용하는 방법에 대해 더 자세히 알고 싶으시다면, Designing In USB Type-C and Using Power Delivery for Rapid Charging을 참고해 보시기 바랍니다.
영문 원본: Simple way to use USB Type-C to get 5V at up to 3A (15W)