USB-C/PD 회로 설계: 협상, 보호회로, 설계 시 유의사항

 

USB-C와 USB Power Delivery(PD)는 단순한 커넥터 규격이 아니라, 전력 협상과 보호 로직이 결합된 복합 전력 시스템으로 발전하였습니다. 특히 5V 고정 전원 수준을 넘어서 9V, 12V, 15V, 20V까지 다루게 되면서, USB-C/PD 회로 설계는 더 이상 단순한 커넥터 배선 문제가 아니라 정교한 전력 제어 설계 영역이 되었습니다. 본 글에서는 USB-C/PD 회로 설계에서 실무자가 반드시 이해해야 할 협상 구조, 보호회로 설계, 그리고 실제 양산 단계에서 자주 발생하는 설계 유의사항에만 집중하여 설명합니다.

 

USB-C/PD 회로 설계

 

 

 

USB-C/PD 협상 구조의 핵심 이해

USB-C/PD의 가장 큰 특징은 전원이 연결되기 전에 반드시 논리적 협상(Negotiation)이 이루어진다는 점입니다. 이 협상은 CC(Configuration Channel) 핀을 통해 이루어지며, 물리적인 전압 인가 이전에 Source(공급자)와 Sink(소비자)가 서로 가능한 전력 조건을 교환하게 됩니다.

초기 연결 시 USB-C는 항상 5V VBUS 상태에서 시작됩니다. 이후 PD 컨트롤러는 CC 라인을 통해 Source Capabilities와 Sink Request를 교환하며, 양쪽이 합의한 전압·전류 조건에서만 VBUS 전압을 상승시키게 됩니다. 이 구조 덕분에 비PD 기기와 연결되더라도 기본 USB 전원 호환성이 유지됩니다.

실무 설계에서 중요한 점은 PD 협상이 실패하거나 중단될 경우, VBUS는 반드시 5V로 복귀해야 한다는 것입니다. 이 동작이 제대로 구현되지 않으면 고전압이 의도치 않게 인가되어 하위 회로가 손상되는 문제가 발생합니다.

 

CC 핀 회로 설계와 역할

CC 핀은 단순한 통신선이 아니라, USB-C/PD 회로 전체의 상태를 판단하는 기준 신호입니다. Source와 Sink는 CC 핀에 연결된 Rp, Rd 저항을 통해 서로의 역할을 인식하게 됩니다. 이 저항 구성은 USB-C 기본 동작에서도 매우 중요한 요소입니다.

PD 컨트롤러를 사용하는 경우 CC 핀은 내부 아날로그 비교기와 디지털 로직으로 처리되며, 연결 방향, 케이블 상태, 전류 허용 수준까지 판단하게 됩니다. 이 과정에서 CC 라인의 노이즈나 ESD 문제는 협상 실패의 주요 원인이 되므로, CC 핀에는 반드시 적절한 보호 소자가 필요합니다.

 

USB-C/PD 보호회로 설계의 핵심 포인트

USB-C/PD 회로에서 보호회로는 단순한 옵션이 아니라 필수 구성 요소입니다. 특히 전압 레벨이 동적으로 변하는 구조이기 때문에 보호 설계가 미흡하면 불량이나 안전 문제로 직결됩니다.

1. VBUS 과전압 보호(OVP)
PD 협상 오류, 컨트롤러 오동작, 케이블 문제로 인해 VBUS가 예상보다 높은 전압으로 상승할 수 있습니다. 이 경우 하위 DC-DC, MCU, 배터리 충전 IC가 즉시 손상될 수 있으므로, OVP 회로 또는 전용 보호 IC가 반드시 필요합니다.

2. 과전류 보호(OCP)
Sink 설계 시 가장 흔히 발생하는 문제는 인러시 전류입니다. 대용량 캐패시터가 VBUS에 직접 연결될 경우, PD 협상 직후 과도 전류가 흐르게 됩니다. 이를 제한하지 않으면 Source가 보호 모드로 진입하여 연결이 끊어지게 됩니다.

3. ESD 보호
USB-C 커넥터는 외부 노출이 잦기 때문에 CC, D+/D-, SBU 라인에는 반드시 저용량 ESD 다이오드가 적용되어야 합니다. 특히 CC 라인의 ESD 파손은 협상 실패로 이어져 디버깅이 매우 어려운 문제를 유발합니다.

 

전력 경로(Power Path) 설계 시 주의사항

USB-C/PD 회로의 전력 경로는 단순히 VBUS를 연결하는 구조가 아닙니다. 협상 전·후의 상태 변화에 따라 전력 흐름을 안전하게 제어해야 합니다. 이를 위해 Power Path MOSFET 또는 전용 Load Switch IC가 사용됩니다.

실무에서 가장 흔한 실수는 VBUS를 직접 DC-DC 입력으로 연결하는 설계입니다. 이 경우 PD 협상 중 전압 변화가 그대로 전달되어 하위 회로가 불안정해집니다. 따라서 VBUS → 보호 → 스위치 → DC-DC 구조를 유지하는 것이 바람직합니다.

또한 역전류 보호도 중요합니다. 배터리 기반 시스템에서는 내부 전원이 VBUS로 역류하지 않도록 반드시 차단 로직이 필요합니다. 이 기능이 없으면 USB-C 포트가 비정상적으로 가열되거나 Source 장치에 손상을 줄 수 있습니다.

 

USB-C/PD 설계 시 실무자가 자주 겪는 문제

USB-C/PD 회로 설계에서 반복적으로 발생하는 문제는 다음과 같습니다.

첫째, CC 라인의 레이아웃 문제입니다. CC 라인은 매우 민감한 신호이므로, 스위칭 노드나 고전류 라인과 근접 배치할 경우 노이즈로 인해 협상이 불안정해집니다.

둘째, PD 컨트롤러 초기화 타이밍 문제입니다. MCU와 PD 컨트롤러가 동시에 기동되는 구조에서는 초기 전원 인가 순서에 따라 협상이 실패하는 경우가 자주 발생합니다. 이를 방지하기 위해 전원 시퀀싱을 명확히 설계해야 합니다.

셋째, 테스트 환경과 실제 사용 환경의 차이입니다. 실험실에서는 정상 동작하던 회로가 실제 다양한 케이블과 어댑터 환경에서는 문제를 일으키는 경우가 많습니다. 반드시 다양한 Source 조합에서 협상 테스트를 수행해야 합니다.

 

실무 기준 USB-C/PD 설계 체크리스트

USB-C/PD 회로 설계 완료 전, 아래 항목을 점검하면 문제 발생 가능성을 크게 줄일 수 있습니다.

- 협상 실패 시 VBUS가 5V로 복귀하는가
- CC 라인에 ESD 및 필터가 적용되었는가
- 인러시 전류 제한이 구현되었는가
- VBUS OVP/OCP 보호가 독립적으로 동작하는가
- 역전류 차단이 명확히 구현되었는가
- 다양한 어댑터 및 케이블에서 테스트가 수행되었는가

 

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USB-C/PD 회로 설계는 단순한 커넥터 설계가 아니라, 전력 협상·보호·전력 경로 제어가 결합된 고난도 설계 영역입니다. 협상 구조를 정확히 이해하고, 보호회로와 전력 경로를 안정적으로 구성한다면 USB-C/PD 기반 시스템의 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있습니다. 실무에서는 규격 문서보다 실제 협상 동작과 보호 시나리오를 기준으로 회로를 검증하는 접근이 더욱 중요해지고 있습니다.