USB-C 충전이 안 되거나 끊길 때, CC 핀 전압으로 기기 쪽 고장 가르기

USB-C 충전기를 꽂았는데 노트북이나 휴대기기가 아무 반응이 없거나, 충전 표시가 들어왔다 꺼졌다를 반복하거나, 고속 충전기를 꽂아도 느린 충전으로만 잡힐 때가 있습니다. 케이블과 충전기를 바꿔 봐도 같다면 기기 쪽 USB-C 포트 주변을 봐야 하는데, 이때 VBUS만 재면 0V라는 것 말고는 알 수 있는 게 없습니다. VBUS가 왜 안 나오는지는 VBUS가 아니라 CC 핀에서 답을 찾아야 합니다.

그 판단은 CC1, CC2 핀에 걸린 저항 두 개로 이뤄집니다. 충전기(소스) 쪽의 풀업 Rp와 기기(싱크) 쪽의 풀다운 Rd가 만드는 전압, 즉 CC 핀 전압 하나로 연결 여부와 충전기가 내줄 수 있는 전류가 정해집니다. 그래서 CC 전압을 멀티미터로 재면 VBUS가 왜 안 나오는지, 왜 끊기는지를 상당히 좁힐 수 있습니다.

이 글에서는 측정을 하기 전에 정상과 불량일 때 어떤 값이 나와야 하는지를 직접 만들어 봅니다. 첫째, Rd 자리의 저항이 변하거나 GND로 누설이 생겼을 때 CC 전압이 어떻게 움직이는지 ngspice로 시뮬레이션했습니다. 둘째, 커넥터 안에서 VBUS와 CC 사이에 누설이 생겼을 때 VBUS가 5V에서 20V로 올라가며 CC 전압이 어떻게 끌려 올라가는지 시뮬레이션했습니다. 셋째, 부품 허용차를 모두 넣어 정상 기기에서 나올 수 있는 CC 전압 범위를 직접 계산했습니다. 이 세 자료를 기준표로 삼아 실제 측정 순서를 정리합니다.

CC 핀 전압이 정해지는 방식

USB-C 충전기는 CC 핀을 Rp로 끌어올려 둡니다. 5V로 끌어올리는 경우 기본 USB 전류를 알릴 때는 Rp 56kΩ, 1.5A는 22kΩ, 3.0A는 10kΩ을 씁니다(STM32 UCPD 드라이버 문서의 Rp 정의). 직접 계산에는 Rp 허용차를 56kΩ ±20%, 22kΩ과 10kΩ ±5%로 가정해 넣었습니다. 칩에 따라 저항 대신 전류원을 쓰기도 하는데, TI TUSB321 데이터시트의 전류원 값은 기본 80µA(64~96µA), 1.5A 180µA(166~194µA), 3A 330µA(304~356µA)입니다.

기기 쪽은 CC를 Rd로 GND에 내려 둡니다. Rd는 5.1kΩ이고, TUSB321 데이터시트는 UFP 모드 풀다운 저항을 최소 4.6kΩ, 대표 5.1kΩ, 최대 5.6kΩ으로 적고 있습니다. 결국 CC 핀은 Rp와 Rd의 분압점이고, 그 전압을 양쪽이 각자 읽습니다.

• 기기(싱크)가 읽는 것: 충전기가 얼마까지 줄 수 있는지. TUSB321의 UFP 쪽 문턱 대표값은 0.2V(기본), 0.66V(1.5A), 1.23V(3A)입니다. 0.2V보다 낮으면 충전기가 없는 것으로 봅니다.
• 충전기(소스)가 읽는 것: 기기가 붙어 있는지. TUSB321의 DFP 쪽 문턱 대표값은 기본·1.5A 광고일 때 1.6V, 3A 광고일 때 2.6V입니다. CC 전압이 이 값보다 높으면 Rd가 없다고, 즉 아무것도 연결되지 않았다고 봅니다.
• VBUS는 그다음입니다. 소스가 Rd를 확인한 뒤에야 VBUS를 켭니다. 그래서 Rd가 끊긴 기기는 충전기와 케이블이 멀쩡해도 VBUS 0V로 보입니다.

USB-PD로 9V나 20V를 받는 노트북도 이 첫 단계는 같습니다. 이 판정은 대개 PD 컨트롤러 칩이 하고, 그 뒤 VBUS는 입력 스위치를 거쳐 충전 IC로 들어갑니다. 충전 IC 쪽에서 전압을 따라가는 방법은 어댑터를 꽂아도 반응 없는 노트북, 충전 IC까지 전압 따라가기에 정리해 두었습니다.

측정 전에 기준값부터: 정상이면 몇 V가 나와야 하나

직접 계산: 부품 허용차를 모두 넣은 정상 CC 전압 범위

정상 기기라도 CC 전압은 하나의 값이 아니라 범위로 나옵니다. Rd가 4.6~5.6kΩ 사이에서 흔들리고, 충전기 쪽 Rp와 풀업 전압도 허용차가 있기 때문입니다. 직접 계산에는 풀업 전압을 4.75V와 5.5V 사이로 가정해 넣었습니다. 그래서 가장 낮게 나오는 조합(풀업 4.75V, Rp는 허용차 상한, Rd 4.6kΩ)과 가장 높게 나오는 조합(풀업 5.5V, Rp 허용차 하한, Rd 5.6kΩ)을 각각 계산했습니다. 직접 계산에 쓴 공식은 V_CC = V_풀업 × Rd ÷ (Rp + Rd), 전류원 방식은 V_CC = I × Rd입니다. 대표값은 풀업 5V, Rp 표기값, Rd 5.1kΩ으로 넣었습니다.

직접 계산하면 Rp 22kΩ 충전기에서 정상 기기의 CC 전압은 0.79~1.16V, 대표값 0.94V입니다. Rp 10kΩ이면 1.45~2.04V, 대표값 1.69V이고, Rp 56kΩ이면 0.30~0.61V입니다. 전류원 방식도 직접 계산하면 80µA 0.29~0.54V, 180µA 0.76~1.09V, 330µA 1.40~1.99V로 저항 방식과 거의 겹칩니다.

표에서 볼 점은 범위들이 문턱을 넘지 않는다는 것입니다. 정상 부품끼리라면 1.5A 충전기는 0.66~1.23V 구간 안, 3A 충전기는 1.23V 위에 들어옵니다. 다만 56kΩ 충전기의 최고값 0.61V는 0.66V 문턱에 바짝 붙어 있습니다. 직접 계산에서 56kΩ에 ±20%를 가정했기 때문이고, 그만큼 이 조합은 여유가 작습니다.

이 표를 진단에 쓰는 방법은 이렇습니다.

• 측정한 CC 전압이 표의 범위 안이면 Rp와 Rd 쪽은 일단 정상으로 보고, VBUS 스위치나 PD 컨트롤러, 충전 IC로 넘어갑니다.
• 범위보다 낮으면 CC–GND 사이에 무언가가 더 붙어 있는 쪽(누설, 정전기 보호 소자 손상)을, 범위보다 높으면 Rd가 끊겼거나 VBUS 쪽에서 전류가 새 들어오는 쪽을 의심해 볼 만합니다. 아래 두 시뮬레이션이 그 두 방향입니다.
• 충전기 쪽이 어떤 Rp인지 모르면, 정상으로 알려진 다른 기기에 같은 충전기를 물려 CC 전압을 먼저 재 둡니다. 그 값과 수리 기기의 값을 비교하면 충전기 몫과 기기 몫이 갈립니다.

이 계산의 한계도 적어 둡니다. 허용 범위는 TUSB321 한 칩의 데이터시트 값과 가정한 Rp 허용차를 조합한 것이라 다른 PD 컨트롤러는 Rd 범위와 문턱이 조금씩 다를 수 있습니다. 케이블과 GND의 전압 강하, 측정기의 입력 저항은 넣지 않았습니다.

Rd 자리 저항이 변하면: CC–GND 쪽 고장

직접 시뮬레이션: CC–GND 저항을 0.5kΩ부터 30kΩ까지 바꿔 본 CC 전압

맨 위 그래프가 이 시뮬레이션입니다. 5V에 Rp 56kΩ, 22kΩ, 10kΩ을 단 충전기 세 종류를 두고, 기기 쪽 CC–GND 저항을 0.5kΩ에서 30kΩ까지 연속으로 바꿨습니다. 이 저항은 Rd 하나일 수도 있고, Rd에 누설 경로가 병렬로 붙은 합성값일 수도 있습니다. 이상적인 저항과 전압원만 쓴 회로이고, 케이블 저항과 칩 내부 회로는 넣지 않았습니다.

시뮬레이션 결과 정상 5.1kΩ에서 CC 전압은 Rp 56kΩ 0.42V, 22kΩ 0.94V, 10kΩ 1.69V로, 위 계산 표의 대표값과 같습니다. 그래프에서 문턱과 만나는 지점을 .meas로 뽑아 보면 다음과 같습니다.

시뮬레이션 결과에서 위쪽 한계는 Rp 22kΩ과 10kΩ 충전기에서 10.35kΩ, 10.83kΩ으로 둘 다 Rd 정상값의 두 배 남짓입니다. Rd가 크랙이나 냉납으로 이 정도 이상 높아지면 충전기는 기기가 없다고 보고 VBUS를 켜지 않습니다. 완전히 끊긴 경우는 말할 것도 없습니다. 아래쪽은 저항이 약 3.3kΩ 아래로 내려가면서 판정이 한 단계씩 떨어집니다. 시뮬레이션 결과 Rp 22kΩ은 3.35kΩ, Rp 10kΩ은 3.26kΩ 아래에서 그렇습니다.

Rd에 누설이 병렬로 붙었을 때 합성 저항이 얼마나 되는지는 직접 계산하면 바로 나옵니다. 5.1kΩ에 100kΩ 누설이면 4.85kΩ, 47kΩ이면 4.6kΩ, 20kΩ이면 4.06kΩ, 10kΩ이면 3.38kΩ입니다. 즉 수십 kΩ짜리 누설로는 판정이 바뀌지 않고, 10kΩ 안팎까지 내려와야 3A 충전기를 1.5A로 읽는 수준에 가까워집니다. 직접 계산과 시뮬레이션 결과를 합쳐 보면, CC–GND 저항계 값이 3.3kΩ보다 한참 아래라면 Rd 하나만 있는 상태가 아닐 수 있습니다.

이 결과를 진단에 쓰는 방법입니다.

• VBUS가 아예 안 나오고 CC 전압이 높다(Rp 22kΩ 충전기에서 1.6V 이상 등): Rd 개방이나 저항값 상승. 충전기 쪽 CC 전압이 풀업 전압 근처까지 올라가 있으면 Rd가 사실상 없는 상태입니다.
• CC 전압이 0V 근처: CC가 GND에 붙은 상태. 커넥터 근처 정전기 보호 소자의 단락을 먼저 의심해 볼 만합니다. TVS 단락을 찾는 방법은 USB 포트 GND 단락과 TVS 다이오드 글에서 다뤘습니다.
• 충전은 되는데 고속 충전기를 느린 충전으로 잡는다: CC 전압이 정상 범위보다 낮지 않은지 봅니다. 위 표처럼 판정이 한 단계 떨어지는 구간에 있을 수 있습니다.
• CC1은 정상인데 CC2 쪽에서만 문제: 플러그를 뒤집어 꽂으면 증상이 달라지는지 확인합니다.

한계: 이상적인 부품 모델이라 실제 측정값과 다를 수 있습니다. 실제 PD 컨트롤러는 문턱 근처에서 디바운스 시간과 히스테리시스를 두고, 전원이 없는 상태에서 쓰는 Rd(데드 배터리용)를 따로 갖는 칩도 있어 전원 유무에 따라 CC 핀 저항이 다르게 읽힐 수 있습니다. 같은 모델의 정상 보드 값과 비교하는 편이 안전합니다. 넷리스트는 아래와 같습니다. 저항을 연속으로 바꾸려고 x축 값을 전압원 VR(kΩ 단위)로 두고, 그 값으로 전류를 정하는 B 소스를 Rd 대신 넣었습니다.

* USB Type-C CC line: sink-side resistance from CC to GND (Rd, or Rd with leakage) swept 0.5k..30k
* source side: Rp pull-up to 5 V, three advertisements (56k default, 22k 1.5A, 10k 3A)
* V(vr) = resistance in kilo-ohm (sweep variable), B sources draw I = V(cc)/(V(vr)*1k)
VR vr 0 5.1
Rvr vr 0 10Meg
V5 p5 0 5
R56 p5 c56 56k
B56 c56 0 I=V(c56)/(V(vr)*1000)
R22 p5 c22 22k
B22 c22 0 I=V(c22)/(V(vr)*1000)
R10 p5 c10 10k
B10 c10 0 I=V(c10)/(V(vr)*1000)
* reference lines: sink thresholds 0.2/0.66/1.23 V, source open thresholds 1.6/2.6 V (TUSB321 typ)
Vt1 t1 0 0.2
Vt2 t2 0 0.66
Vt3 t3 0 1.23
Vt4 t4 0 1.6
Vt5 t5 0 2.6
Rt1 t1 0 10Meg
Rt2 t2 0 10Meg
Rt3 t3 0 10Meg
Rt4 t4 0 10Meg
Rt5 t5 0 10Meg
.dc VR 0.5 30 0.01
.meas dc v56_51 FIND v(c56) AT=5.1
.meas dc v22_51 FIND v(c22) AT=5.1
.meas dc v10_51 FIND v(c10) AT=5.1
.meas dc v56_46 FIND v(c56) AT=4.6
.meas dc v22_46 FIND v(c22) AT=4.6
.meas dc v10_46 FIND v(c10) AT=4.6
.meas dc v56_56 FIND v(c56) AT=5.6
.meas dc v22_56 FIND v(c22) AT=5.6
.meas dc v10_56 FIND v(c10) AT=5.6
.meas dc v56_2 FIND v(c56) AT=2
.meas dc v22_2 FIND v(c22) AT=2
.meas dc v10_2 FIND v(c10) AT=2
.meas dc v56_1 FIND v(c56) AT=1
.meas dc v22_1 FIND v(c22) AT=1
.meas dc v10_1 FIND v(c10) AT=1
.meas dc v56_20 FIND v(c56) AT=20
.meas dc v22_20 FIND v(c22) AT=20
.meas dc v10_20 FIND v(c10) AT=20
.meas dc r10_open WHEN v(c10)=2.6
.meas dc r22_open WHEN v(c22)=1.6
.meas dc r56_open WHEN v(c56)=1.6
.meas dc r10_low WHEN v(c10)=1.23
.meas dc r22_low WHEN v(c22)=0.66
.meas dc r56_low WHEN v(c56)=0.2

CC 전압이 VBUS를 따라 오르면: VBUS–CC 누설

USB-C 핀 배치에서 CC1(A5) 핀은 VBUS(A4) 핀 바로 옆에 있습니다. 습기, 땀, 이물질로 핀 사이가 부식되면 VBUS에서 CC로 전류가 새어 들어올 수 있습니다. 이 경우 CC 전압은 Rp와 Rd만으로 정해지지 않고 VBUS 전압에 따라 움직입니다. 꽂자마자는 되다가 PD로 9V나 20V가 걸리면 끊기는 증상을 이 구조로 설명할 수 있는지 시뮬레이션해 봤습니다.

직접 시뮬레이션: VBUS–CC 누설 저항별로 VBUS를 0V에서 20V까지 올려 본 CC 전압

조건은 Rp 22kΩ을 5V에 단 1.5A 광고 충전기, 기기 쪽 Rd 5.1kΩ입니다. 여기에 VBUS와 CC 사이 누설 저항을 1MΩ, 200kΩ, 100kΩ, 47kΩ으로 넣은 회로와 누설이 없는 회로를 나란히 두고, VBUS를 0V부터 20V까지 올렸습니다. 실제로는 VBUS가 5V로 켜진 뒤 PD 협상으로 올라가지만, 여기서는 VBUS 값마다 정상 상태의 CC 전압만 봤습니다.

시뮬레이션 결과 누설이 없으면 CC 전압은 VBUS와 상관없이 0.94V입니다. 누설 47kΩ에서는 VBUS 5V일 때 이미 1.27V로 1.23V를 넘어, 1.5A 충전기를 3A로 읽을 수 있는 값이 됩니다. 시뮬레이션 결과 VBUS가 9.1V를 넘으면 CC가 1.6V 위로 올라가고, 20V에서는 2.48V가 됩니다. 1.6V는 TUSB321 기준으로 1.5A 광고 소스가 기기가 빠졌다고 볼 수 있는 문턱 대표값입니다. 누설 100kΩ도 시뮬레이션 결과 VBUS 17.5V 위에서 같은 선을 넘고, 20V에서 1.70V입니다.

VBUS가 0V일 때는 반대로 누설 저항이 CC를 GND 쪽으로 조금 끌어내려, 시뮬레이션 결과 47kΩ에서 0.86V, 100kΩ에서 0.90V입니다. 그러니 VBUS가 켜지기 전에는 정상 범위 안이라 연결 판정은 통과합니다. 문제는 전압이 올라간 뒤에 생깁니다. 정리하면 이런 순서를 생각해 볼 수 있습니다. 연결 판정 통과, VBUS 5V 출력, PD로 높은 전압 요청, CC 전압 상승, 소스가 분리로 판단해 VBUS 차단, CC 전압 복귀, 다시 연결 판정. 충전 표시가 일정한 간격으로 들어왔다 꺼지기를 반복하는 기기라면 이 경로를 먼저 의심해 볼 만합니다. 다만 실제 PD 소스가 협상 이후에도 이 문턱으로 분리를 판단하는지는 칩마다 다를 수 있어, 반복 증상의 원인을 이것 하나로 단정할 수는 없습니다.

• CC 전압을 VBUS 5V와 높은 전압일 때 각각 잽니다. 정상이라면 두 값이 같아야 합니다. VBUS가 오를 때 CC도 함께 오르면 VBUS–CC 누설을 의심합니다.
• 전원을 빼고 VBUS–CC 사이 저항을 잽니다. 정상이라면 이 사이에 직접 연결된 부품이 없어 높은 값이 나와야 합니다. 수백 kΩ 이하로 읽히면 커넥터 핀 사이를 확대경으로 보고, 부식이나 이물질이 있으면 세척한 뒤 다시 잽니다.
• 미세 누설만으로는 설명이 안 될 수 있습니다. 시뮬레이션 결과 1MΩ 누설에서는 20V에서도 1.02V로 문턱 아래였습니다. 높은 저항으로 읽히는 미세 누설만으로 증상을 설명하려 하지 말고 다른 원인도 함께 봅니다.

한계: 이상적인 부품 모델이라 실제 측정값과 다를 수 있습니다. 이 시뮬레이션은 누설을 일정한 저항 하나로 둔 것이라 실제 부식 누설과는 다를 수 있고, PD 통신 신호와 칩 내부 보호 회로도 넣지 않았습니다. 넷리스트는 아래와 같습니다.

* USB Type-C sink: leakage from VBUS to CC (e.g. corrosion between adjacent VBUS and CC contacts)
* source Rp 22k to 5 V (1.5 A advertisement), sink Rd 5.1k to GND
* VBUS swept 0..20 V (0 = before attach, 5 = default, 9/15/20 = after PD negotiation)
* copies: no leak, leak 1Meg, 200k, 100k, 47k
VB vb 0 5
V5 p5 0 5
Rpa p5 ca 22k
Rda ca 0 5.1k
Rpb p5 cb 22k
Rdb cb 0 5.1k
Rlb vb cb 1Meg
Rpc p5 cc 22k
Rdc cc 0 5.1k
Rlc vb cc 200k
Rpd p5 cd 22k
Rdd cd 0 5.1k
Rld vb cd 100k
Rpe p5 ce 22k
Rde ce 0 5.1k
Rle vb ce 47k
.dc VB 0 20.05 0.01
.meas dc a_0 FIND v(ca) AT=0
.meas dc b_5 FIND v(cb) AT=5
.meas dc c_5 FIND v(cc) AT=5
.meas dc d_5 FIND v(cd) AT=5
.meas dc e_5 FIND v(ce) AT=5
.meas dc b_20 FIND v(cb) AT=20
.meas dc c_20 FIND v(cc) AT=20
.meas dc d_20 FIND v(cd) AT=20
.meas dc e_20 FIND v(ce) AT=20
.meas dc d_0 FIND v(cd) AT=0
.meas dc e_0 FIND v(ce) AT=0
.meas dc c_hi WHEN v(cc)=1.23
.meas dc d_hi WHEN v(cd)=1.23
.meas dc e_hi WHEN v(ce)=1.23
.meas dc d_open WHEN v(cd)=1.6
.meas dc e_open WHEN v(ce)=1.6

보드에서 재는 순서

위 기준값을 가지고 실제로 재는 순서입니다. 노트북이면 작업 전에 배터리 커넥터를 먼저 분리합니다. VBUS는 PD 협상 뒤 20V까지 올라가므로, 통전 상태에서 프로브가 미끄러져 VBUS와 CC가 닿으면 CC 핀에 20V가 걸려 PD 컨트롤러를 상하게 할 수 있습니다. 통전 측정은 기판의 핀이 아니라 USB-C 브레이크아웃 보드(핀이 밖으로 나와 있는 중계 기판)에서 하는 편이 안전합니다.

1단계의 저항값은 앞서 말했듯 칩마다 달라질 수 있어서, 회로도에 Rd가 외장 저항으로 그려져 있으면 그 저항을 직접 재고, 칩 내장이면 정상 보드와 비교합니다.

VBUS가 정상으로 나오는데도 기기가 충전하지 않으면 CC 문제는 아닙니다. 그때는 VBUS 다음의 입력 스위치와 충전 IC로 넘어갑니다. 보드에 외부 전원을 직접 넣어 소모 전류로 단락 여부를 볼 때는 벤치 파워 전류 제한으로 메인보드 첫 통전하는 법의 설정을 그대로 쓰면 됩니다.

측정값을 읽을 때 기억할 세 가지

• CC 전압 하나에 연결 여부와 전류 광고가 같이 들어 있습니다. 같은 충전기로 정상 기기와 수리 기기를 번갈아 재면 충전기 몫이 빠지고 기기 몫만 남습니다.
• Rd 쪽 저항이 높아지는 고장은 VBUS 0V로, 낮아지는 고장은 느린 충전으로, VBUS–CC 누설은 전압이 올라갈 때의 끊김으로 나타날 수 있습니다. 위 두 시뮬레이션의 문턱 교차점이 그 경계입니다.
• 문턱과 허용 범위는 TUSB321 데이터시트 값과 STM32 UCPD 문서의 Rp 값을 기준으로 했습니다. 다른 PD 컨트롤러를 쓰는 보드라면 해당 칩 데이터시트의 CC 문턱 표를 함께 확인합니다.