USB 타입-C 및 PD(Power Delivery) 애플리케이션 기초 입문 ①

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글/네이트 에노스(Nate Enos), 브라이언 고슬링(Brian Gosselin)
     아날로그 필드 애플리케이션, 북미 영업 및 마케팅, 텍사스 인스트루먼트

 

이 글에서는 USB 타입-C™ 및 PD(Power Delivery)의 기초 개념, 다양한 애플리케이션, 데이터 및 전력 요구사항 등을 알아본다.
기술이 진화함에 따라서 USB(universal serial bus) 표준이 한계에 다다르고 있다. 갈수록 더 작고, 얇고, 가벼운 디자인이 요구되어 기존의 USB 인터페이스로는 이러한 요구를 충족하기가 어려워졌다. 그리하여 최신 플랫폼 및 디바이스 진화의 요구를 충족하기 위해서 USB 타입-C™ 커넥터 에코시스템이 새롭게 등장했고 애플리케이션들의 전력 요구량이 갈수록 높아짐에 따라서 USB Power Delivery(PD) 규격은 타입-C 커넥터에 맞게 수정되었다.

 

머리말

타입-C의 가장 큰 특징은 케이블의 어느 쪽으로든 위아래 구분 없이 꽂을 수 있다는 것이다. 하지만 기능이 편리한 것과 그 기능을 위한 특정시스템 차원에서 어떤 것들이 요구되느냐 하는 것은 또 다른 새로운 문제이다.
이 글에서는 비교적 초기 단계에 있는 타입-C를 소개한 뒤 다양한 애플리케이션과 요구사항에 대해 알아본다. 가장 기본적인 형태의 타입-C 애플리케이션에서부터 시작해서 모든 기능을 갖춘 타입-C 및 PD 애플리케이션까지 살펴볼 예정이다. 먼저 USB 데이터가 USB 1.0에서부터 USB 3.1 Gen 2에 이르기까지 어떻게 진화했는지 살펴보자. 표 1은 USB 데이터 전송 관련 규격의 최대 전송 속도를 보여준다. 이 표를 보면 USB 1.x가 1.5Mbps(low speed) 및 12Mbps(full speed)였던 것에서부터 시작해서 USB 3.1 Gen 2에 이르러서는 최고 10Gbps(SuperSpeed+)를 지원하도록 진화했다는 것을 알 수 있다.
그러면 이번에는 USB 전력이 USB 2.0에서부터 USB PD 3.0에 이르기까지 어떻게 진화했는지 살펴보자. 표 2를 보면 플랫폼 및 디바이스들의 갈수록 높아지는 요구량을 충족하기 위해서 시간이 지날수록 최대 치의 전력으로 증가되었다는 것을 알 수 있다. 이 글에서는 USB 타입-C 와 USB PD 3.0에 초점을 맞춰서 설명한다. PD를 사용하지 않으면 타입-C만으로 최대 5V 3A(15W)를 지원한다. PD를 사용하는 경우 타입-C 에코시스템을 통해서 최대 20V 5A(100W)를 지원 가능하다.

 

데이터 및 전력 역할

애플리케이션을 살펴보기에 앞서, 애플리케이션의 데이터와 전력 전송 역할과 관련된 몇 가지 용어들을 알아보자. USB가 연결되었을 때의 데이터 흐름과 관련해서는, DFP(downstream facing port), UFP(upstream facing port), DRD(dual-role-data)라고 하는 용어가 있는데 DFP는 다운스트림(하위) 데이터 전송을 뜻하며, 통상적으로 호스트 상의 포트이거나 또는 허브 상에서 디바이스로 연결되는 포트를 말한다. DFP는 VBUS 전력(호스트와 디바이스 사이의 전력 경로)을 소싱하며 VCONN 전력도 소싱한다. DFP를 포함하는 애플리케이션 예로는 도킹 스테이션을 들 수 있다.
데이터를 수신하는 포트는 UFP라고 하는데 UFP는 디바이스나 허브 상의 포트로서 호스트나 허브의 DFP로 연결된다. 이러한 포트들은 VBUS를 싱크한다. UFP를 포함하는 애플리케이션 예로는 모니터/디스플레이를 들 수 있다.
끝으로, DRD 포트는 DFP(호스트)로도 동작할 수 있고 UFP(디바이스)로도 동작할 수 있다. 포트가 처음에 취하는 역할은 연결 시의 포트의 전력 역할에 의해서 결정된다. 소스 포트는 DFP의 데이터 역할을 취하며, 싱크 포트는 UFP의 데이터 역할을 취한다. 하지만 USB PD 데이터 역할 전환을 사용하면 포트의 데이터 역할은 동적으로 변환된다. DRD 포트를 포함하는 애플리케이션으로는 랩톱, 태블릿, 스마트폰 등등 다양한 것들이 있다.
USB 연결 시의 전력 흐름과 관련해서는 싱크(sink), 소스(source), DRP(dual-role-power)라는 용어가 사용된다. 싱크는 연결되었을 때 VBUS에서 전력을 소모하는 포트를 말하며, 대개가 디바이스이다. 이러한 예로는 USB 구동 조명이나 팬 같은 USB 장치를 들 수 있다. 소스는 연결되었을 때 VBUS를 통해서 전력을 공급하는 포트이다. 소스는 주로 호스트나 허브 DFP이다. 소스 애플리케이션 예로는 타입-C 벽면 충전기를 들 수 있다.
DRP 포트는 싱크로도 작동하고 소스로도 작동하는 두 상태 사이를 전환할 수 있는 포트다. DRP가 처음에 소스로 동작하면 이 포트는 DFP의 데이터 역할을 취한다. DRP가 처음에 싱크로 작동하면 이 포트는 UFP의 데이터 역할을 취한다. 그렇지만 USB PD 전력 역할 전환을 사용하면 DRP의 전력 역할이 동적으로 전환될 수 있다. 예를 들어서 랩톱으로 DRP 포트를 포함하면 이 포트는 랩톱의 배터리를 충전하도록 전력을 수신할 수도 있고 외부 액세서리를 충전하도록 전력을 공급할 수도 있다...(중략)

기사입력 : 2017-02-20