65W 케이블로 스마트폰 45W 충전을 못하는 이유 USB-PD, PPS 수정이력 : 2024-06-28 : 충전 전력 측정 사진추가
2025-04-15 : QnA 추가
QnA 자주 묻는 질문 그냥 먼저 올려 놓겠습니다.
★ 100W, 65W 충전기에 스마트폰 충전해도 되나요? → 정상적인 스마트폰 충전기라면네, 됩니다. 충전기에 적힌 전력(W)은 최대 공급 가능한 전력(W)일뿐, 충전기와 휴대폰이 교섭을 통해 최적의 충전 전력으로 받습니다. 이 글은 65W 충전기로 충전해도 허용 전류제한 때문에 45W가 채 안나올 수도 있다는 내용입니다.
★ 높은 와트수의 충전기 사용시 휴대폰 발열 문의 → PD충전, PPS 충전 프로토콜은 충전기와 휴대폰이 데이터 통신을하며 최적의 전력을 받습니다. 뜨거워지면 전류를 낮추고, 온도가 일정 이하로 내려가면 다시 충전 전류를 올리고 가변적입니다. 충전시 발열은 자연스러운 현상입니다. 다만 45~50도 이상 화상을 입을 것 같은 온도는 문제가 있으므로 기기 점검을 받아봐야합니다.
★ 고속충전시 배터리 수명이 저하되는지? → 저속 충전에 비해 수명이 저하되는 것은 물리, 화학적으로 필연적인 결과 입니다만, 현재의 고속 충전은 최적의 전류, 전압 제어로 수명에 크게는 영향을 미치지 않습니다. 배터리는 소모품입니다. 2~3년에 한번 교체해주시면 좋습니다. 저 또한 항상 초고속충전을 사용하며, 2~3년에 1번 정도 배터리를 교체하여 사용합니다.
참고로 전기 자동차의 리튬 이온 배터리는 훨씬 더 엄격한 SOC(충전량) 제한으로 인하여 SOH(수명)가 휴대폰 배터리보다는 훨씬 깁니다.
★ 폭발 및 수명에 관련하여 → 리튬 이온, 리튬 폴리머, 리튬 인산철을 비롯해 특히 리튬 계열에서 폭발에 안전한 배터리는 없습니다. 에너지 밀도가 크고, 분리막이 너무 얇기 때문입니다. 또한, 수명에 있어서, 관련된 논문이 아직도 나오는 것을 보면, 배터리 박사님들도 배터리에 대해 완벽하게 아는 것이 아닙니다. 지금도 수명 저하 원리, 수명 증가 기술에 관한 논문이 계속 나옵니다. 온도, 충전 전류, 전압, 횟수, 충전 방법, 덴드라이트(dendrite), 모두 배터리 수명과 연관이 있습니다. 많이 복잡합니다. 박사님들도 새롭게 발견해내는데, 누구에게 물어봐도 속시원하게 대답을 해줄 수가 없습니다. 실험으로 검증된 원리만 말씀 드릴 수 있습니다. 수명에 너무 연연하지 마세요.
★ 25W, 45W, 65W, 100W 충전기를 25W, 45W 충전가능한 스마트폰에 사용하는데 10W, 15W 밖에 안나와요 → 데이터 전송이 안되는 '충전전용' 케이블이면 이런 현상이 일어 날 수 있고, 허용 전류가 낮은 케이블을 사용하면 그럴 수도 있습니다. 또한, 스마트폰과 충전기 온도에 따라, 충전 잔량에 따라 전력 제한이 달라집니다. 우선 고속충전 옵션이 켜져있는지 확인과, 케이블을 바꿔보세요.
공기는 전기가 통하는가? 일반적으로 통하지 않는다라고 말하겠지만, 이 질문은 함정이다. 전압에 따라 다르다. 번개는 공기를 찢으면서 나아간다.
※공기의 임계 전기장 약 : 3kV/mm → 1mm 간격으로 3kV 전압의 전위차가 있으면 공기의 절연이 깨지고, 공기 중에 떨어져 있어도 전기가 통할 수 있고 이 것을 방전(arc)라고 한다
※번개의 전압은 수 억 ~ 10억 V 정도 된다. 그 높은 하늘 구름에서 땅까지 절연을 파괴하면서 내려와야하므로 엄청난 전압이다.
도선(전선)에서 전류가 허용전류보다 높으면 전선이 과열되고 녹아서 끊어지면 다행이고, 나쁜 경우 화재가 발생한다.
건조한 손으로 220v에 감전되면 매우 불쾌한 찌릿함에 놀라 황급히 손을 뗄 수도 있지만, 땀에 젖은 손이라면 사망할 수 있다.
충전에 대해 알려면 전기에 대해 알아야 한다.
1. 설명을 위해 필요한 개념
▶ 단위, 표기
저항(resistance)의 단위는 Ω [옴]이고, 표기는 R [resistance]이다.
전류(current)의 단위는 A [암페어]이고, 표기는 I [Intensity]이다. → 단위 시간(초)당 흐른 전하의 양이다.
전압(voltage)의 단위는 V [볼트]이고, 표기도 V [volt]이다. → 전기적인 위치에너지 차이이다. 차이 이기 때문에 상대적인 것이다.
전력(watt)의 단위는 W [와트]이고, 표기도 W [watt]이다. → 단위 시간(초)당 에너지량이다. = 초당 전기 소비(or 충전)량 → 직류에서는 전압 * 전류 = 전력으로 생각해도 무방하다.
전력량의 단위는 Wh [와트아워, 와트시]이다. → 와트에 시간을 곱한 것으로 전력량을 나타내므로 전기에너지 용량을 나타낸다. → ※노트북의 전력량(배터리용량)은 40~90Wh정도 된다. → ※갤럭시 S23U은 3.88v * 5000mAh 이므로 19.40Wh 이다. → ※전기차 아이오닉5의 배터리 용량은 63kWh ~ 84kWh 이다. (k는 킬로 = 1,000) → 전력량으로 가정집 한달 전기요금을 계산할 수 있다. 보통 300 ~ 500kWh를 사용할 것이다.
전력[W:와트] = 전압[V:볼트] * 전류[A:암페어]
▶ 옴의 법칙
V(전압) = I(전류) * R(저항)
▶ 전선의 스펙
전선(USB 케이블도 포함)의 스펙은 크게 두 가지가 중요하다. 허용 '전압'과허용 '전류'이다.
허용전압은절연(고무 피복 두께)과 관련이 있다. → 쉽게 생각하면 고무로 된 절연 즉, 피복이 얼마나 두껍냐로 생각하면 된다. → 도선은 주로 구리로 되어있고 피복은 고무로 되어있는데 구리는 상대적으로 비싸고 고무는 싸다. → 절연을 강하게 하는 것이 저항을 낮추는 것에 비하면 상대적으로 매우 쉽다.(비용이 저렴)
허용 전류는 도선의 저항(굵기, 길이)과 관련이 있다. → 쉽게 생각하면 도선의 굵기가 얼마나 굵은지, 길이가 얼마나 짧은지로 보면 된다. → 도선이 굵으면 저항이 낮다. 길이가 짧으면 저항이 낮다. (굵고 짧아야 저항이 낮다.) → 저항이 크면 전류가 흐를 때 발열이 심하다. 경우에 따라 심한 정도가 아니라 전선이 녹는 경우도 있다. → 이 부분은 화재와 밀접한 관련이 있어서 허용 전류를 엄격하게 제한해야 한다.
▶ USB와 전력에 관한 규격
USB는 역사가 깊고 모양도, 규격도 많지만 간단하게 설명하면, USB 2.0 - 예전 A타입은 원래 5V 500mA로 설계되어 있다. 와트로 표현하면 꼴랑(?) 2.5W이다.
AA건전지 규격 중에 알카라인 건전지가 1.5V에 용량이 1800mAh 정도 되는데, 1차 전지라서 충전이 가능한 전지는 아니지만 전력량을 계산해 보면, 2.5W 충전 속도로 계산 상 약 2시간 동안 충전해야 완충이 가능하다. (같은 크기의 AA건전지라도 망간전지는 약 500~1000mAh의 용량을 가진다. 알카라인에 비교하면 무게도 가볍다.)
갤럭시 S23U의 리튬이온 배터리가 3.88V이고, 용량은 5000mAh이니까 19.4Wh이다. 즉, 0%에서 100%까지 2.5W로 충전하려면 휴대폰을 켜지도 않고7시간 45분을 충전해야 한다.
USB가 처음 등장한 1996년에는 가벼운 데이터 전송용이라, 마우스나 키보드 정도 작동시킬 아주 작은 전력만 필요해서 이렇게 설계했을 것이지만, 휴대용 전자기기가 늘어남과 충전이 가능한 2차 전지 발달로 여기저기서 많은 전력이 필요했다.
그래서 USB PD 1.0 (Power Delivery 1.0)이 2012년 등장했고 2.0을 넘어 2018년에는 3.0 버전이 나왔고, 3.0 버전아래 하위 방식으로 PDO(Power Data Object) 또는 PPS(Programmable Power Supply) 방식이 존재하는데, 둘 다지원할 수도 있고 하나만 지원할 수도 있다.
▶ 갤럭시 S23U에서 지원되는 충전 프로토콜(규약)
현재 스마트폰 갤럭시의 초고속충전(25W), 초고속충전 2.0(45W) 충전은 PPS 방식의 충전이다. PPS가 아닌 USB-PD도 지원은 하지만, 최대 9V 1.67A로 약 15W 충전이다.
PPS는 PDO 3.0 이후부터 옵션으로 지원하는 규격이다. PDO 3.0만 지원하고 PPS는 지원하지 않을 수도 있다.
PDO와 PPS의 가장 큰 차이점은, PDO는 9v, 12v, 20v처럼 충전 전압이 몇 가지로 정해져 있는 반면, PPS는 전압은 0.02V단위, 전류는 0.05A 단위로 세밀하게 조정하는 가변 전압이다.(그렇기에 능동적으로, 세밀하게 최적 상태로 조절해서 충전이 가능하다.)
2. 65W 지원 케이블로 45W 충전을 못하는 이유.
▶ 함정(65W 케이블 스펙으로는 45W를 충전하지 못한다.)
일반적으로65W 지원 케이블은 스마트폰에 45W 충전을 하지 못한다. 여기에는 함정이 있기 때문이다. → 갤럭시 S23U이 45W를 받으려면 10V 4.5A를 PPS로 지원해야 한다. 정격 10V에 4.5A로 45W이다.
충전기에서 PPS를 지원한다고 하여도, 케이블에서 문제가 생기는데, 65W 지원 케이블 스펙은 20V에 3A~3.3A를 지원한다. → 여기선 허용 전류가 중요하다. 왜냐? 구리가 고무보다 비싸고, 그래서 구리를 최소화해서 제품을 만든다. 그런데 허용전류 이상으로 전류가 통과하면 과열되어 화재가 날 수 있기 때문이다.
대부분 65W 케이블은 허용 전류가 3A 즈음이라, 4.5A를 받지 못하기 때문에 45W 충전이 불가능하다. 65W 케이블을 갤럭시 S23U에 PPS로 충전할 경우 10V 3~3.3A = 30~33W가 최대이다. 그럼에도 65W 케이블인 이유는 20v * 3.25A = 65W이기 때문에 65W이다. 갤럭시 스마트폰은 현재, 고속 충전이나 초고속충전(2.0포함)이라도 9v~10v 전압으로 '송전' 받는다. ('송전'이라고 표현한 이유 => 리튬이온 배터리를 9~10v 그대로 충전하면 폭발할지도 모른다. 전력을 보낼때만 높은 전압을 사용해서 전류를 다운 시키는 것이지 리튬이온 배터리를 9~10v로 배터리에 직접 충전을할 수는 없다. 휴대폰 내에 전압을 다운 시키는 변압 모듈이 있을 것이라는 얘기이다.)
※노트북은 주로 USB-PD 프로토콜로 20v 정도의 전압으로 충전을 받는다.
즉, 스마트폰에 45W 충전을 하고 싶으면 허용전류 5A를 지원하는 100W 케이블을 사용해야 45W 충전이 가능하다. → 정확하게 말하면, ①스마트폰이 45W를 받을 수 있는 상태(온도, 충전량 등) ②충전기가 PPS, 10v 4.5A 이상 지원③케이블의 허용전류가 4.5A 이상 ④케이블이 데이터 통신을 지원할 것. 이 네 가지 조건이 동시에 충족되어야 가능하다.
▶ 삼성 65W 트리오 포트 충전기
아래는 현재 판매 중 삼성 65W 트리오 포트 충전기 스펙이다.
삼성 65W 트리오 포트 충전기 스펙 USB-C 1 포트 단독 사용 시
PDO 프로토콜 9V 3A 15V 3A 20V 3.25A
※노트북은 가급적 20V로 충전하는 것이 최적이다. 하지만 충전기가 PDO 9V만 지원하면 9V도 받는다. 이 경우 전력이 부족해서 느리게 충전된다.
이론상 갤럭시 S23울트라에 이 충전기로 충전 시, PPS로 10V 일 때, 3.5A를 지원할 것이 예상되므로 35W로 충전될 것이다.
▶ 다만, 45W에 너무 얽매일 필요는 없다.
0%에서 100% 완충까지 25W 충전과 45W 충전 속도 차이는 실질적으로 거의 없다. 왜냐하면 45W가 '최대' 45W까지 지원한다는 말일뿐, 계속 45W로 충전하는 것이 아니기 때문이다.
일반적으로 리튬이온 배터리의 경우 20~80% 구간에서 최대 전류로 충전하기 좋은데, 최대 전류로 충전하면 온도가 올라가기 때문에 스마트폰은 충전 전류를 제한한다. 그러므로, 평균 충전속도는 45W나 25W 충전기와 크게 다르지 않다.
단, 정말 급하게 나가야 하는데 배터리가 10~20%이라면, 45W 충전기는 빛을 발한다.
45w PPS 충전기에 100w급 케이블을 사용했고, 배터리가 50%남아있지만, 약 30w정도로 충전 중이다. 충전속도는 배터리 잔량, 온도(디바이스든, 충전기든) 등 여러 요소가 많다. 케이블 역시 데이터 전송도 지원해야한다. 요즘에는 잘 없는데 충전전용 케이블이라고해서 데이터를 회선을 쇼트시킨 케이블이 있었는데 퀵차지나 PD충전이 불가하다. 휴대폰은 갤럭시 S23U이다. 삼성이 노트7 폭발 사건 이후로 배터리 및 충전에 매우 보수적이다. 중국의 스마트폰은 200w 충전까지 나왔으며, 65w~100w 충전 정도는 어렵지않게 볼 수 있다. 다만 사용하기엔 무섭다.
3. 결론
▶ 65W 케이블은 허용전류가 3A급이라서 45W (9V 5A)의 5A에 미치지 못한다. 그래서 45W 충전은 불가능하다.
▶ 충전기와 케이블을 선택함에 있어서 와트(전력)만 볼 것이 아니고, 충전 프로토콜 및 전압 전류까지 잘 확인하자 ▶ 적어도 현재 갤럭시에서는, 45W 충전에 얽매일 필요는 없다.(하지만 필자는 45W 충전기를 쓴다.)
