개요

기술이 발달하면서 전자기기의 소모 전력이 늘고 배터리의 용량이 증가 함에 따라 각종 급속 충전 기술들이 개발되고 있다.

급속 충전의 한가지 방법으로 높은 전압을 사용하여 USB 케이블의 저항 및 단자간 연결 부분의 접촉저항 등에 의한 전력손실을 줄이는 것이다. (예를 들어 저항이 0.1Ω 인 경우 20V 3A 로 공급하면 0.9w 의 전력이 열로 손실되지만, 5V 12A로 공급하면 14.4W 가 소모된다.) 또한 급속 충전은 빠른 시간 내에 최대 전압에 이르게 되는데 이후에는 공급할 수 있는 전류랑이 줄어들기 때문에 충전 속도가 느려진다. 그래서 급속충전을 이용할 경우 50% 나 70%까지는 매우 빠른 속도로 충전할 수 있지만 그 이상 완전충전까지는 일반 충전과 속도가 비슷해진다는 단점이 있다.

USB 2.0 과 3.0

USB 2.0의 경우 기본으로 100mA를 공급하지만 단말기에서 고전력을 요청하면 최대 500mA의 전류를 공급한다. (이때 전압은 언제나 5V이다) 결국 5v 500mA 가 USB의 표준이라고 생각하면 된다.

USB 3.0이 대중화되는 시점에서, 고속 충전에 대한 수요가 늘자 일부 노트북이나 PC 메인보드, 애플 아이맥 마더보드에서도 2A의 전류를 흘려보내는 고속충전을 지원하기 시작했다. 만약 USB 포트에 번개(Fast Charge) 마크 등의 표시가 있다면 2A 고속충전을 의미한다. (이때 케이블도 2A 전류를 흘려보내 줄 수 있어야 한다.)

새로운 USB-PD 규격

USB Power Delivery 의 약자로 USB-PD 2.0은 5V, 9V, 15V, 20V 의 전압을 지원하며, 최대 5A 까지의 전류를 전송할 수 있다.

USB PD가 오직 USB 3.0 이상에서만 적용된다고 알려져 있지만, 사실 USB PD는 USB 버전과는 전혀 무관하며, 당연히 USB2.0에서도 PD를 지원한다면 사용 할 수 있다. (칩셋에서 PD 규격을 지원 해야 한다.)

애플 USB-PD 규격

아이패드 프로2에 적용되면서 나온 규격으로 정확히는 USB-PD 규격과 거의 비슷한 14.5V 규격이다. 왜 14.5V 인지는 알려진게 없지만 이 충전 규격이 애플 29W 충전기에 적용되는 것인 만큼 여기에 종속 되어 있을 것 이라는 추측이 있다.

또한 애플 충전기 자체는 PD 규격 충전기와 호환되어 애플의 USB-PD 파워 어댑터 외에도 여러 타사의 USB-PD 어댑터도 사용할 수 있지만 케이블은 USB-C to 8핀 라이트닝 케이블을 사용해야 된다. (MFI를 인증받은 서드파티 USB-C to 라이트닝 케이블을 사용해도 된다.)

아이폰 8은 최대 12W, 아이폰 8+/X의 경우 최대 18W로 충전되기 때문에, 30분 충전으로 50% 가량이 충전된다. 아이폰의 기본 5W 파워어댑터로는 완전 충전 시간이 180분(3시간)가량 걸리지만 애플 12 W 충전기로는 약 110분 정도, 29W 충전기로는 100분 정도 걸린다고. 단 18W 출력은 배터리의 50%까지로 제한되며, 이후는 12W로 충전된다.

퀄컴 퀵 차지

퀄컴 스냅드래곤 AP를 탑재한 스마트폰 한정으로 제공되는 급속 충전 기술이다.

퀼컴 퀵 차지 1.0

2013년 2월에 공개했다. 기존 충전기보다 40%가량 향상된 충전 효율을 보여 준다. 출력 전압은 5V이며, 2A로 전류(A)를 늘리는 방식으로 충전 효율을 증가시킨다. 최대 10W 까지 지원. 현재는 일반 충전, 유선충전의 수준이다.

퀼컴 퀵 차지 2.0

5V, 9V, 12V 최대 18W를 지원하는 급속 충전 규격이다. 퀄컴 스냅드래곤 800, 801, 805, 808과 810을 지원한다.

3300mAh 용량의 배터리를 탑재한 기기를 기준으로, 퀵차지 2.0은 60%까지 충전하는 데 대략 30분이 걸리며, 퀵차지 1.0은 동일한 시간에 30%, 일반 충전(5V 1A)으로는 동일한 시간에 12% 충전에 그친다고 한다.

USB 충전기 자체는 25W 짜리도 있지만 QC2.0 스마트폰이 대부분 18W 까지만 지원하므로 충전이 더 빨라지지는 않는다.

퀼컴 퀵 차지 3.0

2015년 9월에 발표한 기술로 3300mAh 용량의 배터리를 80% 충전하는 데 35분 정도면 충전이 가능하다. 충전기와 스마트폰 사이의 충전 전압을 3.6V에서 20V 사이에서 0.2V 단위로 다이나믹하게 최적화 할 수 있어서 에너지 손실과 발열량을 줄었다.

2.0보다 효율을 최대 38% 높였지만 전력은 최대 18W로 그대로 같아서 충전속도는 크게 늘어나지 않았다.

퀄컴 스냅드래곤 430, 617, 650, 652, 820에서 지원되나, 퀵차지 2.0에서의 전례를 고려할 때 장치별로 지원 여부는 달라질 수 있다. (삼성전자의 갤럭시 S 시리즈 중 갤럭시 S7과 그 이후 모델들은 삼성전자의 어댑티브 패스트 차징과의 형평성을 위해 퀵차지 2.0까지만 지원한다.)

퀼컴 퀵 차지 4.0

2016년 11월 17일 퀄컴이 스냅드래곤 835와 함께 발표한 퀵차지 신기술이다.

퀵 차지 4.0는 3.0보다 충전 속도가 20% 빨라졌으며, 30% 더 효율적으로 충전하고, 발열이 5도 더 낮아졌다. 3300mAh 용량의 배터리를 50%까지 15분 충전이 가능하다고 한다.

구글은 픽셀폰 출시(16년10월) 이 후 안드로이드의 급속 충전 기술을 USB-PD만 쓰고, USB 규격에 맞지 않는 퀵 차지 기술은 쓰지 말도록 강력히 권고하였다. 퀄컴은 이에 순응하여 기존 퀵차지 규격과는 호환성이 없지만 USB-PD 프로토콜을 준수하는 새로운 규격을 퀵 차지 4 기술로 발표하였다. USB-PD 규격을 준수하면서도 효과적인 배터리 충전을 위한 기능을 추가한 상위 규격인것이다.

USB-PD 규격에 비해 퀵 차지 4.0에서 추가된 기능은 충전 최적화와 배터리 보호 기능. 최적의 충전 효율을 위해 충전 전압과 전류를 스마트폰과 교섭하는 기능과 향상된 배터리 보호 기능으로 전압, 전류, 온도를 정확하게 측정하면서 여러 단계로 충전을 하며, 과충전을 보호하고, 더 최적화된 전압 설정값을 가진다. 그리고 듀얼 충전 기술로 인해 전류를 나눠서 충전하면 더 효율적으로 열을 발산하고, 충전 시간을 단축할 수 있다.

다만 퀵 차지 3.0 이하의 규격과 하위 호환성이 없다는 점 때문인지 스냅드래곤 835 MSM8998을 탑재한 스마트 디바이스 중에서도 퀵 차지 4를 지원하는 경우는 매우 드물다. 대신 이를 보완하기 위해서 장치에서는 퀵 차지 3.0까지만 지원하게 하고 별도로 USB-PD 규격을 지원하게 해서 하위 호환성도 잡고 주류 규격도 지원하도록 하고 있다.

퀄컴 퀵 차지 4+

2020년 3월 퀵차지 4+ 버전을 공개했다. 퀵 차지 4의 장점을 더 개선한 버전이다. 퀵 차지 4+는 퀵 차지 4 버전보다 온도를 3도 낮췄고 충전 속도는 15% 빨라졌으며 전력 효율 역시 30%가량 개선됐다. 또한 퀵차지 2.0과 3.0 표준과 호환도 가능해졌다.

2개의 전원 관리 칩을 이용하는 듀얼 차지는 충전 전류를 분할해 발열을 잡고 충전 시간을 단축하는 것으로 퀵 차지 4에도 적용된 것인다. (스마트폰을 최대 16W까지 충전 할 수 있다고 가정해 보자. 이 때 퀵 차지 4+는 하나의 경로를 통해 16W를 보내는 것이 아니라, 두 경로 사이에서 분할하므로 각 경로는 전체 출력의 일부만 책임지게 하는 것이다.)

이렇게 함으로써 스마트폰은 빠른 속도로 충전하면서도 발열을 최대 3도 이하까지 낮출수 있다.

단지 상용화 까지는 어느정도 시간이 필요할 것으로 예상된다.

삼성전자 Adaptive Fast Charging

퀄컴의 퀵차지 2.0과 호환되는 급속충전 기술이다. 일괄적으로 9V의 전압을 사용하고 2017년 기준 퀄컴 퀵차지 2.0의 1.8A보다 조금 적은 1.67A로만 출력하고 있다. (최대 11W)

급속 무선충전을 지원하는 자사의 대부분의 기기들과도 어댑티브 패스트 차징만이 호환되고 퀄컴 퀵차지와는 완벽히 호환되지 않는다. 이는 삼성전자 고객센터의 공식 답변에 따르면 화재의 위험성에 따른 대처로, 자사의 무선충전 제품은 어댑티브 패스트 차징에 맞추어 15W를 기준으로 설계되었기 때문에 이를 초과하는 전력을 공급할 수 있는 표준 퀄컴 퀵차지 충전기에 대해서는 무선 급속충전기능이 동작하지 않도록 락을 걸어놓았다고 한다.

삼성전사 Super Fast Charging

그동안 느린 충전속도로 지적을 받던 삼성전자가 새롭게 발표한 충전 기술이다. 갤럭시 S10 5G에 처음으로 적용되었으며 충전 속도는 USB PD3.0 25W 와 45W이다. 다만 대부분의 일반 USB PD 충전기로는 15W 충전만 가능하다.

45W 초고속 충전 2.0의 경우 추가로 E-Marker칩이 탑재된 100W 5A C to C 케이블이 필요하다. 60W 3A 케이블의 경우 25W 까지만 지원된다.

노트10+와 같이 45W를 지원하는 스마트폰의 경우 0%~60% 구간 이후에는 25W와 45W의 충전 속도 차이가 거의 없어지며, 완충 시간으로 비교하면 S20 울트라 기준으로 25W, 45W 모두 약 59분으로 사실상 차이가 없으므로 스마트폰을 충전할 목적이라면 굳이 별도로 45W 충전기를 구입할 필요는 없다.

하지만 배터리 용량이 큰 태블릿 컴퓨터나 노트북의 경우 45W에 준하는 수준으로 정속충전이 되므로 25W보다 확실히 빠르다. 갤럭시 탭 S7+의 경우 0%~74% 정도까지 36~41W 수준으로 충전되며, 노트북의 경우 90%에 육박할 때까지 40W 수준으로 충전이 된다.

배터리 전원의 잔량이 클수록 안정성을 위해 충전속도를 제한하는 경우가 대부분이다. 스마트폰의 경우 대부분의 제조사에서 80% 정도부터 10W 정도로 제한을 걸고, 95% 정도부터는 거의 3W 수준까지 떨어진다. 반면 태블릿이나 노트북의 경우 95% 정도가 되어서야 10W 수준으로 속도가 떨어진다. 배터리 용량이 클수록 1%당 에너지량이 크기 때문에 이러한 현상이 나타난다.

결론

퀄컴의 퀵차지 기술은 로열티를 지불해야 하므로 이를 회피하기 위해 각 스마트폰 제조사들이 번들로 주는 충전기는 각자 독자적인 급속충전 기술을 채용하고 있지만, 서로 호환성이 없어 소비자들의 혼란만 가중 시키고 있다.

지금부터라도 제조사 소비자 모두가 USB-IF표준인 USB-PD 규격만 사용해야 한다고 생각한다.

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sunyung

2020-10-12 09:00

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