USB PD는 USB Type-C라는 커넥터를 활용해 100 W의 전력 공급뿐만 아니라, 다양한 통신 규격을 USB 케이블을 통해 지원한다. 2015년은 USB PD의 도입 원년이라고 할 수 있다.

USB PD가 현실이 되다!

USB Power Delivery Specification(이하, USB PD)는 하나의 USB 케이블을 통해 최대 100 W의 전력을 전송할 수 있다. USB PD는 USB Type-C라는 차세대 커넥터를 활용해 100 W의 전력 공급뿐만 아니라 디스플레이포트(DisplayPort, DP) MHL 같은 통신 규격도 USB 케이블을 통해 지원한다. 2015년에 출시된 일부 노트북 PC는 이미 USB PD 기술을 탑재하고 있다. 이 기술은 Type-C 케이블을 통해 AC 어댑터에서 PC로 전력을 공급한다. 또한 디스플레이포트와 HDMI, VGA 신호를 Type-C 케이블을 통해 전송할 수 있다. 올해 시장에 USB PD를 지원하는 다양한 제품이 출시될 것이라는 점을 감안할 때, 2015년은 USB PD의 도입 원년이라고 할 수 있다.

이 글에서는 USB PD가 향후 어떻게 사용될 것인지, 그리고 광범위하게 보급된 이후 우리가 어떤 정보통신기술(ICT) 세계를 경험하게 될지를 설명한다. 또한 USB PD가 작동하기 위한 필수 부품인 Type-C 커넥터와 USB PD 컨트롤러에 대해서도 설명한다.

빠른 확산이 예상되는 USB PD

시장의 일부 제품은 이미 USB PD 기술을 탑재하고 있다. 또한 USB PD 기술은 지원하지 않지만 Type-C 커넥터를 탑재한 새로운 PC, 스마트폰, HDD 제품도 잇따라 발표되고 있다. 미국의 조사기관인 스트래티지 애널리틱스(Strategy Analytics)는 2016년에 Type-C를 탑재한 제품들이 모바일 기기 시장 전체의 12%가 될 것이라고 예측했다. 이 예측이 맞는다면, 2016년에는 수억대의 모바일 기기가 Type-C를 탑재하게 될 것이다.

필자는 다음과 같은 단계로 USB PD가 보급될 것으로 예상한다:

첫 단계로, USB PD는 이미 PC와 모바일 기기를 중심으로 사용이 시작되고 있다. 두 번째 단계로, TV나 모니터와 같은 영상 기기와 이것들에 연결되는 제품에 사용될 것이다. 세 번째 단계로,  이미지 프로젝터나 프린터와 같은 비즈니스 용도의 기기나 자동차용 오디오 및 내비게이션 같은 차량용 기기에도 USB PD가 확산될 것이다. 앞으로 수년 내에 모든 기기들이 USB 케이블로 서로 연결되어 고속 데이터 통신과 전력 공급이 동시에 이루어질 수도 있다.

Power Delivery는 어떤 규격인가?

USB PD는 USB-IF (USB Impl
ementers Forum)에 의해 규정됐으며, 주요 핵심은 다음 세 가지다(그림 1):

(1) USB 케이블로 최대 100 W의 전력 공급이 가능하다. USB PD 이전에는 USB BC1.2 (USB Battery Charging Specification rev1.2)에서 지원하는 7.5 W (5V-1.5A)가 USB 케이블이 공급할 수 있는 최대 전력이었다. USB PD는 전력을 100 W (20 V-5 A)까지 제공할 수 있도록 기존 규격에서 5 V로 고정돼 있던 전압 제약을 없앴다.

(2) USB의 전력 공급과 데이터 전송의 역할을 서로 교환(롤 스왑) 할 수 있다. 전력의 경우, 공급측(Source)과 수급측(Sink)의 역할을 교환할 수 있다. 예를 들어, 모니터와 PC를 USB 케이블로 연결할 때 모니터에서 PC로 전력을 공급할 수 있을 뿐만 아니라 롤 스왑을 통해 PC또한 모니터에 전력을 공급할 수 있다. 데이터 전송의 경우, USB 호스트와 장치의 역할을 교환할 수 있다.

(3) USB 케이블을 통해 디스플레이포트, HDMI와 같은 통신 규격의 사용이 가능하기 때문에, PC에 저장된 영상을 USB 케이블을 이용해 모니터로 전송해 상영할 수 있다.

USB PD가 어떻게
세상을 바꿀 것인가?

향후 점점 더 많은 전자 기기가 Type-C와 USB PD를 탑재하게 되면 다음과 같은 세 가지 변화가 나타날 것으로 예상한다(그림 2).

(1) 범용 AC 어댑터
우리는 일반적으로 PC나 모바일 기기용 AC 어댑터와 같은 다양한 종류의 AC 어댑터를 사용한다. 이러한 기기들이 지속적으로 새 것으로 교체됨에 따라 구식 AC 어댑터의 사용이 줄고 있다. USB PD는 USB 케이블로 100 W까지 전력 공급이 가능하게 되면서, 이론적으로는 TV에서 PC, 태블릿 PC, 스마트폰에 이르는 어떤 장치에도 전력을 공급할 수 있는 궁극의 범용 AC 어댑터를 실현할 수 있다. 100 W까지는 아니더라도, 전력 소모가 60 W 또는 36 W 이하인 기기라면 사용 가능할 것이다. 범용 AC 어댑터의 사용이 증가함에 따라 전자 기기를 새 것으로 바꿀 때마다 쓸모없게 되는 AC 어댑터가 감소하게 되고, 이는 환경 측면에서도 바람직하다.

(2) 다목적 USB 케이블
현재 우리는 AC 어댑터용 케이블과 USB나 디스플레이포트, HDMI 등의 통신 규격에 따른 전용 케이블을 사용해야만 한다. 요즘은 대부분의 사람들이 전자 기기에 따라 여러 종류의 케이블을 사용한다. 그러나 이러한 상황은 USB PD의 등장으로 바뀌게 될 것이다. 전력 공급은 물론 USB, 디스플레이포트, HDMI와 같은 디지털 통신을 USB 케이블 하나로 모두 가능하기 때문이다.

(3) 통합 커넥터
다목적 USB 케이블 표준은 커넥터의 통합을 가속화할 것이다. 결과적으로 기기들은 USB Type-C 커넥터만을 탑재하게 될 것이다.

USB PD의 주요 역할 : Type-C 커넥터와 USB PD 컨트롤러

USB PD는 향후 전자 기기의 작동 방식을 크게 변화시킬 것이다. 이러한 변화를 가능하게 하는 USB PD의 주요 역할은 다음과 같다.

Type-C 커넥터는 양면 어느 쪽이든 위를 향하여 삽입할 수 있기 때문에, 커넥터를 어느 방향으로 연결할지 고민할 필요가 없다. 또한 1만 회 이상 탈부착이 가능하며 기존의 Micro-B 커넥터보다 2배의 비틀림 강도를 가지고 있다. 플러그의 크기는 폭 8.25 mm, 두께 2.4 mm로 모바일 기기에도 사용 가능한 작은 크기이다. 핀 배치(그림 3)는 거의 점대칭형으로 되어 있다. Type-C 핀 중에서도 USB PD를 위해 중요한 역할을 하는 핀이 Configurable Channel (CC1, CC2, CC)이다. 이 핀들을 통해 기기 간에 USB PD 신호를 교환하게 된다. Type-C 커넥터가 USB PD에 필수인 까닭이 여기에 있다. 그림 4에서 노란색으로 강조된 플러그 핀들은 디스플레이포트와 HDMI 등의 통신 핀으로 사용할 수 있다.

또 다른 하나는 USB PD 컨트롤러이다. USB PD를 탑재한 기기끼리 연결되면, (1) 어느 정도의 전력을 교환할지, (2) 공급 측과 수급 측의 관계 및 USB 호스트와 장치의 관계를 어떻게 설정할지, 그리고 (3) 디스플레이포트나 HDMI 통신은 어떤 핀을 사용해 수행할지, 등의 정보를 교환한다. 이러한 처리를 범용 CPU나 개별 부품을 이용하여 수행할 수 있지만, 소프트웨어 설계에 소요되는 시간과 시스템 비용을 감안하면 실현에 어려움이 있다. 이런 상황에서 요구되는 것이, 이러한 모든 처리를 단독으로 수행할 수 있는 IC이다. 이러한 IC가 USB PD 컨트롤러이다(그림 4).

컨트롤러는 미리 설정된 파라미터에 따라 자동으로 동작할 뿐만 아니라, 파라미터의 동적 변경도 수용해야 한다. 예를 들어, 수급 측은 정상 동작 상태인지 또는 대기 상태인지에 따라 필요한 전력이 달라진다. 이 경우, 컨트롤러는 기기의 상태에 따라 파라미터 변경을 수용하여 전력 조정을 할 수 있다. ST마이크로일렉트로닉스를 비롯해 여러 반도체 제조업체들은 이미 USB PD 컨트롤러의 생산을 시작했거나 생산계획을 세우고 있다.

결론

USB는 1990년대에 등장한 이래로 오늘날 가장 널리 사용되는 통신 인터페이스 표준 중 하나로 PC, 카메라, 스마트폰, 태블릿 PC, TV 등 USB를 이용하는 기기들을 우리 주변에서 쉽게 찾아볼 수 있다. 이 USB 표준은 현재 USB PD와 Type-C라는 차세대 표준을 통해 진화하고 있다. 100 W의 전력 공급과 롤 스왑이 가능하고 USB 이외의 통신 규격을 사용하는 데이터의 전송이 가능해, 범용 AC 어댑터의 사용은 증가할 것이고 케이블 및 커넥터가 USB Type-C로 통합될 것이다.

이러한 흐름은 향후 전자 기기의 외관과 사용법에 큰 변화를 가져올 것이다. Type-C와 USB PD 컨트롤러는 USB PD의 실현에 꼭 필요하다. 반도체 제조업체들이 USB PD 컨트롤러의 공급을 늘려감에 따라, USB PD를 갖춘 기기들이 점점 더 많이 사용될 것이다. 이런 이유에서 가까운 미래에 모든 기기를 USB 케이블로 연결할 수 있고, 전력 공급과 더불어 동일한 케이블로 고속 데이터 통신이 가능해질 것으로 전망한다.