USB PD(Power Delivery-파워 딜리버리)란?

USB PD(Power delivery-파워 딜리버리)란 무엇인지 자세히 설명하고 있습니다. PD 규격 USB PD3.0과 최신 PD 규격 USB PD3.1 등, 최근의 USB 동향을 포함하여 기능적인 해설과 기본 정보를 안내하고 있습니다.

테크노프런티어 2018에서 USB PD 제품을 발표한 이후, USB PD(파워 딜리버리)가 무엇인가요? 라는 질문을 많이 받았기 때문에, 이 페이지에서 설명드리겠습니다. 멀티 충전이 가능한 이 기기는, 연결된 장치에 맞추어 전력을 자동 조절해주기 때문에 매우 편리합니다.

지난 테크노프런티어에서는 자사의 신제품인 USB PD(파워 딜리버리)를 2종류 전시하였습니다. 방문자분들로부터 아주 좋은 반응을 얻었으며, 진심으로 감사드립니다. 최근 고객님들로부터의 요청에 따라, Unifive에서는 40W 및 60W USB PD 제품을 2기종 개발하였고, 이후로도 라인업을 확장하여 65W 제품도 출시하였습니다.

USB PD(Power delivery-파워 딜리버리)란?

USB PD, 데이터 전송과 고출력 전원 공급을 실현하는 차세대 USB의 매력

USB PD(USB Power Delivery)는, 데이터 전송과 고출력 전력 공급을 하나의 케이블로 실현하는 USB의 신기술입니다. 기존의 USB에서 진화한 USB PD 대응 AC 어댑터는, USB Type-C 케이블을 통해 전력과 데이터를 동시에 공급할 수 있기 때문에, USB의 성능을 최대한 활용할 수 있습니다. 이 기술을 통해 기존 USB 충전 방식에 비해 현저히 높은 전력을 공급할 수 있게 되어, 스마트폰과 태블릿은 물론, 노트북과 같은 고출력 장치의 충전도 가능합니다.

아래에 USB PD의 기능을 간단히 정리하였습니다.

기존의 USB1.1(2.5W), USB3.0(4.5W), USB-BC1.2(7.5W)와 비교하여, USB-PD는 최대 100W까지 전력 공급이 가능합니다.
전력 공급 측과 수급 측이라는 고정을 없애고, 전력 인/출력을 서로 전환할 수 있습니다(롤 스왑). 예를 들어, PC에서 외장 배터리를 충전하던 방식에서, 롤 스왑 기능을 이용하면 외장 배터리로 PC를 충전할 수도 있습니다(Type-C 케이블의 경우).
여러 외부 장치에 대해 전원의 최적화가 가능합니다.
연결된 장치에 맞춰 전력을 자동으로 조절합니다.

최근의 USB 상황

최근에는 차량 내부는 물론, 공공버스나 항공기 내에서도 다양한 장소에서 USB 포트를 볼 수 있습니다. 또한, PC의 USB 포트에서 전원을 얻는 것도 일상적인 일이 되었습니다. USB는 스마트폰 등 소형 기기에 있어서 보편적인 충전 포트라 할 수 있습니다.

이러한 기존의 USB 포트는, USB 드라이버를 통해 데이터 전송이 주된 목적이었지만, 사용자는 점차 데이터 통신 뿐 아니라 전원 공급원으로서도 활용하게 되었습니다.

USB PD3.0으로 안심할 수 있는 USB PD를

USB-IF(Implementers Forum)이라는 USB 규격 제정 단체가 제정한 최신 규격인 USB-PD3.0은, 불량 케이블이나 시장에 유통 중인 기준에 미달하는 제품을 제거하여, USB-PD를 안전하게 사용할 수 있도록 하기 위한 규격입니다.

USB-PD3.0은 2.0에 비해 롤 스왑 속도가 빨라졌으며, 만일 전원 공급이 중단되는 사고가 발생하더라도, 데이터 손상의 위험이 줄어듭니다.

또한, C-AUTH=USB Type-C 인증이라 불리는 기기 간 상호 인증 기능도 추가되어, 연결된 장치 또는 케이블이 신뢰할 수 있는 제품인지 기기 간에서 확인하고, 문제가 있을 경우에는 기능이 차단됩니다.

*USB-TypeC에 관한 설명은 여기를 클릭

USB PD 3.1：최대 240W까지 공급하는 진화

최근 시장에서는 상기에서 설명한 USB PD3.0이 주류가 되고 있지만, USB-IF(Implementers Forum)는 2021년 5월 26일 USB Power Delivery(USB PD) Revision 3.1의 새로운 사양을 발표하였습니다.

이는 USB Type-C® 케이블 및 커넥터를 통해 최대 240W의 전력을 공급할 수 있도록 하는 주요 업데이트입니다. 위에서 설명한 바와 같이, 기존의 USB PD는 정격 5A의 USB Type-C 케이블을 이용한 20V 솔루션에서 100W로 제한되어 있었습니다.

이와 함께 USB Type-C 사양도 릴리즈 2.1로 업데이트되었으며, 240W 케이블 요구사항이 정의되었습니다. 또한, USB PD의 프로토콜과 전원 정의도 업데이트되어, 100W로는 부족했던 많은 장치에도 USB PD 적용이 가능해졌습니다.

새로운 USB PD 아키텍처에서는, 대폭 강화된 전원 협상 프로토콜이 정의되어, 이러한 고출력 전원 공급 기능을 안전하게 사용할 수 있도록 하고 있습니다. 참고로, 100〜240W의 전력을 사용하는 제품의 안전 요구사항은, 저전력 제품보다 엄격하며, 제품이 판매되는 각국의 규정에 따라 안전 사양이 적용됩니다.

USB Power Delivery 3.1의 새 기능으로 인해, 대형 노트북 등 고출력 제품이 기존 전원 커넥터 대신 USB Type-C로 전환될 수 있을 것입니다.

새로운 3종류의 고정 전압 선택 가능, EPR(확장 전력 범위)로 고출력 실현

USB PD 3.1 사양의 주요 특징으로는, 새롭게 3종의 고정 전압을 선택할 수 있게 된 점이 있습니다. 기존 SPR PDO, SPR APDO의 5V, 9V, 15V, 20V에 추가로 28V(100W 이상), 36V(140W 이상), 48V(240W 이상)의 고정 전압을 선택할 수 있게 되었습니다. USB PD 3.1의 주요 신기능인 EPR(Extended Power Range) 덕분에, 20V를 초과하는 전압으로의 전력 공급이 가능해졌습니다. EPR에서는, 28V, 36V, 48V의 고정 전압이 추가되어, 각각 100W, 140W, 180W를 초과하는 전력 공급을 지원합니다.

EPR 모드: 고출력 전원 공급을 실현하는 안전 프로토콜 구조

EPR 모드는, 고출력 전력을 안전하게 공급하기 위한 통신 프로토콜입니다. 소스(전원 측)와 싱크(기기 측)는 EPR 모드에 들어가기 전에, 서로의 기능을 확인하고, 안전한 전력 공급을 위한 합의를 형성합니다.

아래에, USB3.1이 등장하기까지의 경위와 각종 사양을 보기 쉬운 표로 정리하였습니다.

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USB PD로 실현하는 가장 빠르고 최적인 충전 경험

단순히 고출력 전력 공급을 실현하는 것만이 아닙니다. USB Type-C에는 CC(Configuration Channel)라는 전용 신호 라인이 탑재되어 있어, USB Power Delivery 대응 기기를 연결하면, 장치에 최적인 전력을 자동으로 감지하고, 빠른 충전을 시작하는 구조입니다.

Type-C 케이블의 진화 : EPR 대응으로 안전성 향상

USB PD 3.1의 확장에 따라, USB Type-C 케이블 사양도 버전 2.1로 업데이트되었습니다. EPR 대응 케이블은 E-Marker라 불리는 칩을 탑재하여, 50V・5A를 지원함을 나타냅니다. 이를 통해 고출력 전력 공급 시의 안전성과 신뢰성이 향상됩니다.

GaN 기술과의 조합으로 고효율 및 소형화

GaN(갈륨 나이트라이드)은 차세대 반도체 소재로 주목받고 있습니다. GaN을 이용한 전력 장치는, 기존 실리콘 기반 전력 장치보다 전력 손실이 적고 스위칭 속도가 빠르다는 특성이 있습니다. USB PD 3.1의 전원에 GaN 기술을 적용함으로써, 고효율화와 소형화의 양립이 가능합니다.

시간대별 USB PD의 역사

위까지는, USB PD란 무엇인지, 최신 USB PD3.1이란? 이라는 부분에 초점을 맞추었지만, 여기서는 시간 순서를 따라 USB PD의 역사를 돌아보며, 지금까지의 기술 진화를 더 깊이 이해하고자 합니다.

USB PD 이전: 저출력 충전과 규격의 난립 (1996년〜2012년)

1996년: USB 1.0 등장. 당초에는 데이터 전송이 주 목적이었지만, 주변 장치에의 전력 공급도 가능했습니다. 하지만, 공급 전력은 5V・100mA로 매우 낮아, 충전 용도로는 부적합했습니다.
2000년: USB 2.0 등장. 데이터 전송 속도가 비약적으로 향상되었을 뿐 아니라, 공급 전력이 5V・500mA로 향상되어, 휴대폰 등 충전에도 사용되게 되었습니다.
2007년: 배터리 충전 규격 USB BC(Battery Charging) 1.1 등장. 전압은 5V로 고정됨과 동시에, 최대 1.5A의 전류 공급이 가능해져 7.5W까지 전력 공급 가능해졌습니다.
2010년: USB BC 1.2 등장. 충전 동작 사양이 더욱 강화되었습니다.
이런 시기에는, USB 충전이 보급되기 시작했지만, 여전히 전력 부족이나 규격 난립이 문제였습니다. 노트북 등의 고전력 장치에는 USB 충전이 대응할 수 없었습니다.

USB PD의 탄생과 진화 : 고출력・양방향 전원 공급의 시대로 (2012년〜2021년)

2012년: USB PD 1.0 등장. 최대 100W(20V・5A)의 전력 공급이 가능해져, 노트북 등의 대형 장치 충전도 가능해졌습니다.
USB PD 1.0은, 전력 공급 능력을 5개의 표준 "프로파일"로 정의하고 있었습니다. 또한, 호스트와 장치 간에 전압과 전류의 협상을 통해 안전한 전력 공급을 실현하였으나, 기존 USB 커넥터는 항상 5V 전압이 걸려있기 때문에 양방향 전력 공급은 구현하지 못했습니다.
2014년: USB PD 2.0 등장. 프로파일 방식에서 PDO(Power Data Object) 방식으로 이행하여, 보다 유연한 전력 공급이 가능해졌습니다. 또한, USB Type-C 커넥터가 등장하여, USB PD의 진화를 가속화하였습니다. Type-C 커넥터는 소형이며 상하 대칭 구조로, 방향 구분 없이 삽입 가능합니다.
2015년: USB PD 3.0 등장. PPS(프로그래머블 전력 공급) 기능이 추가되어, 전압을 20mV 단위로 세밀하게 조절 가능하게 되어, 충전 효율이 크게 향상되었습니다. 또한, PPS로 인해, 리튬이온 전지 등의 충전을 최적화할 수 있게 되었습니다. USB PD 3.0에서는, 기기 인증 규정도 포함되어, 안전성이 향상되었습니다.

USB PD 3.1 및 GaN 기술 : 더 높은 출력과 고효율화로 (2021년〜)

2021년: USB PD 3.1 등장. EPR(Extended Power Range)이 도입되어, 최대 240W(48V・5A)의 전력 공급이 가능해졌습니다. 또한, GaN(갈륨 나이트라이드) 기술의 진보로 인해, USB PD 전원의 고효율화 및 소형화가 진행되고 있습니다. EPC9195와 같은 GaN 기술을 활용한 레퍼런스 디자인이 등장하여, USB PD 3.1의 성능을 최대한 이끌어 낼 수 있게 되었습니다.

USB PD의 미래 : 모든 장치에 대한 전원 공급

USB PD는 노트북, 스마트폰, 태블릿과 같은 모바일 디바이스는 물론, 가전 제품이나 산업 장비 등 다양한 분야에서의 활용이 기대되고 있습니다. USB PD 3.1과 GaN 기술의 진화로, 장차는 모든 기기가 USB Type-C 케이블로 충전되는 시대가 올지도 모릅니다.

Unifive에서는 최신 PD 솔루션에 GaN을 적용한 차세대 소형 AC 어댑터를 다양하게 라인업하고 있습니다.

소량 제작에서의 커스터마이징도 대응 가능하며, 유연한 제안을 드리고 있습니다. 샘플이나 기타 문의가 있으시다면, 당사 영업 담당자에게 부담 없이 문의해 주시기 바랍니다.

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