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평가 키트를 사용하여 제어된 환경에서 USB Type-C™ 및 USB PD 제품 개발 및 테스트

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글/Steven Keeping, Digi-Key

최신 USB 커넥터/케이블, 전력 공급(PD) 및 프로토콜 사양(각각 USB Type-C, USB PD 3.0, USB 3.2)을 활용하면 커넥터에서 USB의 데이터 처리량 및 전력 공급 기능을 보다 쉽게 사용하고 촉진할 수 있다. 하지만 새로운 사양을 활용하고자 하는 설계자는 구현하는 데 많은 어려움을 겪는다. 특히, 지원되는 전압 및 전류가 높아서 호환되지 않는 주변 장치가 손상되고, 케이블, 커넥터 및 포트가 과열될 수 있다.
USB Type-C 및 USB PD에 익숙하지 않은 개발자는 적절한 소프트웨어 인터페이스를 통해 제어된 환경에서 새로운 기술을 실험할 수 있는 방안을 모색해야 한다. USB 실리콘 벤더들은 이에 대한 대응으로 전원 공급 장치, PC에 대한 USB 연결, 최신 USB 칩을 포함하는 기판과 소프트웨어를 탑재한 평가 키트(EK)를 소개했다. EK를 사용하면 개발자가 사용자 친화적 인터페이스를 통해 검증된 설계를 활용하여 USB Type-C 및 USB PD 구성을 체험해 볼 수 있다. EK를 개발자의 시제품을 위한 참조 설계로 활용할 수도 있다.
이 기사에서는 최신 USB Type-C 사양의 주요 기능을 간략하게 살펴보고 몇 가지 복잡한 구현을 설명한다. 그런 다음 ON Semiconductor, STMicroelectronics 및 Texas Instruments의 키트를 소개하고 이러한 키트를 사용하여 새로운 USB 기술의 기능을 안전하게 살펴볼 수 있는 방법을 보여준다. 평가 키트 및 기판이 기반으로 하는 통합 부품을 새 제품에 설계하여 공간을 절약하고 부품 수를 줄이면서 향상된 성능을 활용할 수 있다.

최신 USB 사양으로 업그레이드해야 하는 이유

제품을 최신 USB 사양으로 업데이트하는 주요 이유는 다음과 같다.
• 향상된 편의성: USB Type-C는 소비자가 사용하기 쉽고 최신 소비자 가전의 폼 팩터에 적합한 콤팩트 리버시블 플러그 커넥터를 기반으로 한다.
• 높은 처리량: USB 3.2(2017년에 도입되고 현재는 모든 이전 USB 3.x 사양을 흡수함)는 20Gbits/s의 데이터 전송률을 제공한다.
• 높은 출력: USB PD 3.0은 최대 100W(5A x 20V)를 제공하여 태블릿 및 휴대용 컴퓨터를 빠르게 충전할 수 있다.
USB Type-C 커넥터는 USB 3.2 Gen 2x2에 필수이며 이후 버전의 표준에서는 이 커넥터만 호환되고 Type-A 및 Type-B 커넥터는 호환되지 않는다. 이 사양은 +5V 접지 쌍 4개, USB 2.0 데이터 버스용 차동 회로 2개, SuperSpeed 데이터 버스용 쌍 4개, ‘측대파용’ 핀 2개, 활성 케이블용 VCONN +5V 전력, 케이블 방향 감지 및 연결 관리를 위한 채널 구성(CC) 핀을 제공하는 24핀 커넥터를 통합한다. 특정 응용 분야에 사용되는 핀은 적용된 통신 프로토콜과 전력 공급 요구 사항에 따라 달라진다(그림 1).

[그림 1] USB Type-C 24핀 커넥터는 케이블 방향 감지 및 연결 관리에 사용되는 CC 핀과 호환된다. (이미지 출처: Texas Instruments)

‘모든 기능을 갖춘’ USB Type-C 커넥터 및 케이블은 최고 속도 USB 데이터 전송률을 지원할 수 있다. 예를 들어, USB Type-C를 사용하는 설계자는 USB 3.2 Gen 1(SuperSpeed 5Gbits/s), USB 3.2 Gen 2(SuperSpeed 10Gbits/s) 또는 USB 3.2 Gen 2x2(SuperSpeed 20Gbits/s) 프로토콜을 선택할 수 있다. 최신 사양의 일부 기능을 지원할 수 없는 ‘모든 기능을 갖추지 않은’ USB Type-C 커넥터 및 케이블 조합도 있다. 이 기사의 나머지 부분에서는 모든 기능을 갖춘 USB Type-C 하드웨어만 적용한 설계를 고려한다.
또한 설계자는 USB Type-C를 사용하여 USB PD 2.0/3.0 전력 프로토콜에 따라 제공되는 최고 USB PD 전압 및 전류를 활용할 수 있다. USB PD 2.0 이상 사양에서는 5V, 9V, 15V, 20V의 네 가지 전압 레벨을 정의한다. 또한 전원 공급 장치는 원래 USB PD 표준의 6가지 고정 레벨 대신 0.5W ~ 100W의 최대 소스 출력 전력을 지원할 수 있다. 15W를 초과하는 전류를 공급하는 소스에서는 5V 및 9V 전압을 제공하고, 27W를 초과하는 전류를 공급하는 소스는 5V, 9V, 15V 전압을 제공하고, 45W를 초과하는 전류를 공급하는 소스는 5V, 9V, 15V, 20V를 제공한다. 이러한 다양한 전압 및 전류 조합을 ‘전력 프로파일’이라고 한다.
이런 유연한 출력 레벨은 많은 이점이 있지만 복잡성이 추가될 뿐 아니라 이 기술이 지원하는 높은 전압 및 전류로 인해 몇 가지 중요한 설계 과제를 해결해야 한다. 예를 들어, USB PD는 USB PD 전력 프로파일을 협상 및 구현하기 위한 추가 부품(포트 컨트롤러)이 필요하다. USB Type-A 설계를 사용하던 설계자가 이러한 차이를 즉시 이해하지 못해서 최적화되지 않거나 잘못된 설계 결정을 내릴 위험이 높다.
예를 들어, USB PD를 탑재한 USB Type-C 시스템은 A-to-C 케이블을 통해 USB Type-A 포트에 연결할 수 있다. USB Type-A 포트 VBUS는 약 5V로 유지되지만 USB PD를 탑재한 USB Type-C 포트는 5A에서 최대 20V를 공급할 수 있다. 더 높은 VBUS 전압을 공급하는 포트에서는 전류를 다른 포트로 구동하고, 대부분의 USB Type-A 포트 전력 스위치는 역전류 보호 기능이 없으므로 높은 전압으로 인해 손상될 수 있다.

USB Type-C 복잡성 관리

USB Type-C 및 USB PD에서 제공되는 다양성은 구성 가능한 케이블, 포트 및 전력 설정을 통해 실현된다. USB Type-C 커넥터는 CC를 사용하여 연결을 전기적으로 감지하고 구성한다. USB Type-C 포트는 호스트 전용, 장치 전용(기존 USB 호스트 및 장치 역할에서 작동) 또는 DRP(Dual-Role Port)이고, 호스트는 DFP(Downward Facing Port)이고, 장치는 UFP(Upward Facing Port)이다.
USB Type-C의 기타 이점은 다음과 같다.
• DRP의 재구성 가능성. 예를 들어, 휴대용 컴퓨터는 미니 팬을 구동하면서 모니터 또는 DFP로 충전하는 동안 UFP로 작동할 수 있다.
• VBUS가 USB Type-C 표준 전력을 사용 중인지 USB PD를 사용 중인지를 전기적으로 결정하고 필요한 경우 VCONN을 구성할 수 있다.
• 선택적 대체 및 부속품 모드를 지원한다.
포트 컨트롤러는 PD 컨트롤러와 함께 작동하여 전력 요구 사항 및 방향을 협상한다. 예를 들어, 스마트폰과 같이 평범한 배터리가 탑재된 장치는 휴대용 컴퓨터와 같이 높은 전력이 필요한 장치를 구동하려고 시도하지 않는다. 포트 컨트롤러에는 종종 내장형 마이크로 컨트롤러가 포함되어 있다. 이런 경우 전력 트랜잭션을 감독할 외부 장치가 필요하지 않다.
복잡성을 관리하고 성공적인 설계를 보장하기 위해 USB 칩 제조업체에서는 설계자가 최적화되고 보호된 회로망으로 USB Type-C 및 USB PD 구성이 응용 분야에 적합한지 평가해 볼 수 있도록 평가 키트를 도입했다. 예를 들어, ON Semiconductor의 STR-USBC-4PORT-200W-EVK, USB Type-C 4포트, 200W EK가 있다. 이 키트를 사용하면 개발자가 5V, 9V, 15V, 20V 전압 출력과 최대 5A 전류(포트당 최대 100W 출력 전력)에서 USB PD 3.0의 기능을 살펴볼 수 있다. 전원 공급 장치의 제한으로 인해 이 EK는 4포트에 걸쳐 200W의 총 최대 출력 전력으로 제한된다.
STR-USBC-4PORT-200w-EVK는 USB PD 포트 컨트롤러, 고전압 보호 스위치 및 강압(벅) 전원 공급 장치 컨트롤러로 구성된다. 이 장치는 90V ~ 265V 입력 범위에서 작동하는 AC/DC 전원 공급 장치가 탑재되어 있다. 또한 과전류 및 열 차단 기능이 내장되어 있다. 이 EK는 전력 프로파일 테스트용 구성 도구, 다양한 오류 및 폴드백 기능 실험, 연결된 장치에 다양한 충전 부하를 공급하면서 시스템 원격 측정 모니터링 등을 지원하는 ON Semiconductor의 Strata 소프트웨어와 함께 제공된다(그림 2).

[그림 2] ON Semiconductor의 USB Type-C EK는 200W AC/DC 4포트 프런트 엔드 및 4포트 USB PD 출력을 제공한다. (이미지 출처: ON Semiconductor)

EK의 포트 컨트롤러는 USB PD 기능을 통해 USB Type-C 포트 컨트롤러(TCPC)를 구현하도록 설계된 ON Semiconductor의 FUSB307B이다. 이 칩은 USB TCPM (Type-C Port Manager)을 위한 표준형 인터페이스를 탑재한 TCPC로서 USB PD 인터페이스 사양을 준수하고 수동 부착/분리 감지를 지원하는 USB Type-C 감지 회로망을 통합한다. 이 칩의 시간 결정적 PD 기능은 자율적으로 처리되므로 시스템 마이크로 컨트롤러 또는 TCPM을 사용할 필요가 없다.
이와 관련해 STMicroelectronics는 STEVAL-ISC004V1 USB PD EK를 제공한다. 이 EK는 정전압 DC 전력 입력을 USB PD 가변 전압 출력으로 변환하는 방법을 보여주는 회사의 STUSB4710A USB PD 컨트롤러를 기반으로 하는 즉시 사용 가능한 USB PD 소스이다. USB PD 컨트롤러는 USB Type-C CC를 통해 통신하여 연결된 장치와 지정된 양의 전력을 협상하므로 마이크로 컨트롤러 지원 없이 DFP 또는 UFP 연결을 처리할 수 있다.
또한 Texas Instruments(TI)는 USB Type-C 도킹 스테이션 인터페이스 EK, USB-CTM-MINIDK-EVM을 제공한다(그림 3). 이 EK는 USB PD, 오디오, USB 데이터, 전력, 비디오를 비롯한 USB Type-C 도크를 위한 참조 솔루션이다. 이 EK는 기본 USB Type-C PD 포트를 통해 소스와 싱크 전력 기능을 모두 지원한다. 외부 USB Type-C 충전기로 구동될 경우 도크는 3A에서 5V 또는 5A에서 12V ~ 20V를 소싱할 수 있다.

[그림 3] TI의 USB-CTM-MINIDK-EVM USB Type-C 인터페이스 EK는 USB 데이터, USB PD, 오디오, 동영상을 비롯한 USB Type-C 도크를 위한 참조 솔루션이다. (이미지 출처: Texas Instruments)

이 EK는 다음을 통합한다.
• TUSB8041: DFP와 UFP를 통해 최대 SuperSpeed USB를 제공할 수 있는 4포트 USB 3.0 허브 컨트롤러이다.
• TUSB321: 포트 연결 및 분리, 케이블 방향 및 역할 감지를 결정하는 TCPC이다. 이 칩은 DFP, UFP 또는 DRP로 구성될 수 있다.
• TPS65982: USB PD 협상 및 전력 경로 지원을 위한 USB Type-C 컨트롤러이다.
ON Semiconductor, TI 및 STMicroelectronics EK는 엔지니어에게 USB PD를 지원하는 USB Type-C 설계를 설정 및 구성하는 과정을 안내한다. ON Semiconductor EK 개발은 자사의 Strata Developer Studio를 통해 수행된다. 먼저 개발자는 AC 전압을 EK에 인가하고, USB Mini-B 케이블을 통해 PC에 연결하고, 로그인한 다음, PC에서 EK를 감지하고 관련 콘텐츠를 다운로드하도록 허용해야 한다.
개발자는 최대 시스템 전력(30W ~ 200W). 4포트의 총 PD ‘계약’이 AC 공급의 총 전력을 초과하지 않도록 보장하는 설정, 포트 1에 항상 할당된 양의 전력을 공급하고 다른 포트에서는 나머지 전력을 공유하는 ‘보장 전력’ 설정을 비롯하여 시스템에 대한 몇 가지 기본 설정을 지정할 수 있다. 또한 고장 조건을 나타내는 온도 임계값을 결정하는 고장 보호 설정이 있다.
이제 개발자는 다음을 비롯한 개별 포트 설정을 실험해 볼 수 있다.
• 최대 포트 전력: 이 값을 설정하면 제한을 초과하는 접촉이 발생하지 않는다.
• 전류 제한: 0A ~ 6A
• 케이블 보정: 높은 전류를 소싱할 때 싱크 장치에서 전압 강하를 줄인다.
• 고급 프로파일: 장치를 연결하면 싱크 장치에 제공된 프로파일 목록이 표시된다.
개발자는 브라우저에 액세스하여 USB 포트에 대한 총 입력 전압 및 전력 관련 세부 사항과 프로파일(V), PD 계약(W), 출력 전압 및 전력, 온도, 효율을 비롯한 각 포트의 성능 관련 정보를 확인할 수 있다. EK를 오실로스코프에 연결하여 VBUS 전이를 비롯한 자세한 정보를 확인할 수 있다(그림 4).

[그림 4] ON Semiconductor의 USB Type-C EK를 오실로스코프에 연결하여 칩의 작동 특성을 자세히 분석할 수 있다. (이미지 출처: ON Semiconductor)

STMicroelectronics EK는 ON Semiconductor EK와 비슷한 방식으로 작동한다. 22V(최소)의 DC 소스와 USB Type-C 커넥터가 있는 주변 장치에 연결한 후 PC용 I2C 인터페이스를 통해 비휘발성 메모리에서 EK의 기판 실장 USB PD 컨트롤러 설정을 읽을 수 있다. 개발자는 PC 인터페이스를 사용하여 최대 5개 PD 전압 및 전류 출력, 피크 전류, 저전압/과전압 잠금을 재구성할 수 있다. PC에서 이러한 프로파일을 설정했으면 프로파일을 USB PD 컨트롤러의 메모리에 프로그래밍한 후 연결된 주변 장치를 구동하는 데 사용할 수 있다.
TI의 EK는 자사의 USB Type-C 인에이블러 기판과 함께 사용해야 한다. 활성화 기판은 USB Type-A - USB Type-B 케이블 및 DisplayPort 케이블을 통해 PC에 연결되며, EK는 USB Type-C 케이블을 통해 USB Type-C 활성화 기판에 연결된다. 개발자는 USB 3.0 허브, TCPC 및 USB Type-C 컨트롤러를 PC에서 직접 구성해 볼 수 있다.

결론

USB Type-C 및 USB PD는 소비자 편의성, 높은 처리량, 연결된 주변 장치 구동 및 배터리 충전을 위한 향상된 전력 공급을 제공한다. 하지만 이러한 기술은 복잡성을 높여서 USB Type-A 시스템에만 익숙한 개발자에게는 어려움이 있다.
위에서 볼 수 있듯이 USB Type-C 및 USB PD에 익숙하지 않은 개발자는 이제 주요 USB 실리콘 공급자의 평가 키트를 활용하여 친숙한 사용자 인터페이스를 통해 제어된 방식으로 기술을 체험해 볼 수 있다. EK를 개발자의 시제품을 위한 참조 설계로 활용할 수도 있다.

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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