USB Type-C 및 USB PD: 배터리 구동 시스템을 고려한 설계

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글/Adam McGaffin, TI

개인 전자기기, 자동차, 산업용, 엔터프라이즈 시스템 같은 애플리케이션으로 USB Type-C®(USB-C®)가 산업 표준 커넥터로 자리잡고 있다. USB Type-C는 단일 인터페이스로 데이터와 전원을 둘 다 전송할 수 있다. USB Power Delivery(PD)는 USB-C 커넥터를 사용한 표준으로서, USB-C 인터페이스의 용량과 기능성을 높인다. 최근까지는 USB PD 3.0 규격이 양쪽 방향으로 최대 100W(20V 5A) 전력을 지원했다. 이것을 표준 전력 범위(SPR)라고 한다. 그런데 최근에 나온 USB PD 3.1 규격은 이 전력 범위를 240W(48V 5A)로 높이고 있다. 이것을 확장 전력 범위(EPR)라고 한다.

표 1은 EPR과 SPR을 비교해서 보여준다.

EPR은 최대 240W 전력을 지원할 수 있다(5A로 28V, 36V, 48V). EPR 모드는 통상적인 USB PD 협상과 마찬가지로 싱크가 새로운 소스 용량 메시지를 평가하고 응답하는 것을 필요로 한다. EPR 모드가 되면, 포트가 최대 240W(48V 5A)로 전원 공급 객체(PDO) 협상을 시작한다. 48V 한계는 설계 안전 마진을 고려했을 때 타당한 한계이다.

EPR 모드로 정전압 레벨을 확장한 것 외에도, 전원이 조절가능 전압 전원(AVS)에 대한 규격도 준수해야 한다. EPR 모드 내에서 AVS는 싱크가 전압을 15V부터 48V까지 100mV 스텝 간격으로 미세하게 조절할 수 있도록 한다. 이 조절은 성능과 열 효율을 높이도록 한다. 또한 AVS는 싱크가 여느 충전기로부터나 전압을 수신할 수 있는 유연성을 가능하게 한다. 그러므로 커스텀 어댑터를 필요로 하지 않게 하고 사용자의 전자 에코시스템으로 일관된 사용자 경험을 가능하게 한다.

그림 1은 SPR 및 EPR 전력 레벨과 관련해서 프로그래머블 전원 공급(PPS) 및 AVS 범위를 보여준다. PPS와 AVS 둘 다 스텝 간격을 프로그램할 수 있으나, 둘은 같지 않으며 의도하는 용도가 다르다. AVS는 정전압 전원으로서 동작하고, 효율을 높이기 위한 차원에서 시스템으로 일정한 DC 전압을 제공한다. PPS는 스텝 간격이 더 작고(20mV) 연결된 디바이스의 배터리 차저를 우회해서 곧바로 배터리를 충전할 수 있다. AVS와 PPS의 가장 큰 차이점은, PPS는 협상되는 전압이 시간에 따라서 지속적으로 변한다는 것이다. 배터리가 충전할 때는 필요한 PPS 충전 전압이 높아진다. AVS는 정전원으로 의도된 것으로서, 시스템 입력 전압으로 시스템이 전체적으로 필요로 하는 것에 가까운 전압 레벨을 제공한다.

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배터리 구동 제품과 차세대 솔루션

블루투스 스피커나 전동 공구 같이 배터리로 구동되는 휴대기기 제품들이 USB-C 도입으로 혜택을 보게 되었다. 이러한 제품들로 USB-C를 구현함으로써 USB-C 포트로 충전을 하면서 동일한 포트를 사용해서 연결된 디바이스로 전원을 공급할 수도 있다. 단일 또는 멀티셀 배터리 차저를 사용하는 것에다 USB-C 또는 USB PD 컨트롤러를 결합함으로써 애플리케이션이 USB-C 포트로 전원을 소싱도하고 싱크도 할 수 있다.

그림 2는 USB-C 및 USB PD로 이전하는 디바이스의 통상적인 아키텍처를 보여준다.

배터리 구동 제품의 USB PD 포트 설계를 간소화하도록 TI의 USB PD 컨트롤러는 I2C 호스트 지원을 추가함으로써 배터리 차저를 직접적으로 제어할 수 있다. 이처럼 I2C 호스트 제어를 통합함으로써 외부적 마이크로컨트롤러(MCU)를 필요로 하지 않고 2칩 솔루션을 가능하게 한다. USB PD 컨트롤러가 USB PD 포트를 통한 전력 협상에 기반해서 I2C를 통해서 배터리 차저의 충전 파라미터들을 자동으로 업데이트한다. 또한 배터리 구동 제품으로 USB PD 포트를 추가하기 위해서 디자이너가 펌웨어를 개발할 필요가 없다. TPS25751과 TPS26750은 USB-C + 배터리 차저 페어링에 사용할 수 있는 2개 USB PD 컨트롤러이다.

TPS25751은 SPR PD 컨트롤러이고, TPS26750은 최대 240W EPR을 협상할 수 있는 EPR PD 컨트롤러이다. 표 2는 권장되는 USB PD 컨트롤러와 배터리 차저 짝을 보여준다. 이와 같은 짝으로 레퍼런스 디자인들을 제공하므로 디자이너가 자신의 애플리케이션으로 편리하게 복사해서 붙여넣기 할 수 있다.

레퍼런스 디자인

최대치인 240W 확장 전력 범위를 지원하기 위해서 240W USB Type-C PD3.1 EPR 배터리 차저 레퍼런스 디자인은 TPS26750에다 BQ25756 양방향 벅-부스트 충전 컨트롤러를 결합했다. 그림 3에서 보듯이 이 레퍼런스 디자인은 단일 PCB 상으로 이들 2개 디바이스를 짝을 이룸으로써, 외부적 MCU나 커스텀 펌웨어를 필요로 하지 않고서 양방향 240W 솔루션을 가능하게 한다.

이 배터리 차저 레퍼런스 디자인은 7~14셀 배터리 용으로 통합적인 USB PD 및 충전 레퍼런스 디자인으로서, 전동 공구, 진공 청소기, 휴대 파워 스테이션, 전기자전거 같은 제품에 적합하다. TPS26750이 간단한 I2C 통신을 통해서 BQ25756과 함께 작동하므로, 펌웨어 개발이 필요하지 않다.

TPS26750을 프로그래밍하는 것은 TI USB PD 컨트롤러 용의 애플리케이션 맞춤화 툴을 사용해서 쉽게 할 수 있다.

이 배터리 차저 레퍼런스 디자인은 USB PD 3.1 호환 입력 소스를 통해서 최대 240W로 배터리를 충전하고 on-the-go 모드로 최대 48V 5A 출력을 제공할 수 있다. BQ25756은 4스위치 벅-부스트 차저를 구현한 것으로서, 벅, 벅-부스트, 부스트 모드로 전환할 수 있다. 높은 수준의 통합과 단순한 디자인이 BOM(bill of materials) 비용을 낮추고, 크기를 소형화하고, 출시 시간을 단축하도록 한다.

맺음말

USB-C가 최대 전력 범위를 새롭게 높임으로써 미래에 대비한 범용적 커넥터로 자리잡고 있다. USB-C는 새로운 까다로운 기술로 비춰질 수도 있을 것인데, TI 솔루션은 소프트웨어와 하드웨어 관점 모두에서 높은 수준의 통합으로 디자이너들의 설계 작업을 간소화하도록 한다. TI가 USB PD 컨트롤러와 배터리 차저 짝과 함께 레퍼런스 디자인을 제공하므로 솔루션 크기를 줄이고 출시 시간을 앞당기도록 한다. 

기사입력 : 2024-11-04