USB-C 전력 공급 시작하기

USB Type-C™ 사양은 USB를 통한 확장 가능한 전력 공급 옵션을 새롭게 도입하지만, 사양이 복잡하고 개발자는 안전성 및 레이아웃 문제에 부딪히고 있습니다.

이 기사에서는 USB Type-C(USB-C로도 알려짐) 리셉터클 솔루션을 소개하고 개발자에게 이러한 USB-C 리셉터클 커넥터를 새 설계에 통합하고 레이아웃을 조정해 확장 가능한 USB 전력을 외부 장치에 안전하게 공급하는 방법에 대해 안내합니다.

USB-C 소개

원래의 USB 1.1 표준에서는 5V(2.5W)에서 최대 전류가 500mA로 지정되었으며 USB 2.0 표준에서도 동일한 최대치가 허용되었습니다. 이는 900mA의 최대 전류를 지원하는 USB 3.1 사양이 출시되면서 변화되었는데, 모두 예전과 같이 직사각형 USB 커넥터를 사용합니다. 하지만 USB의 사용이 널리 확장되면서 커넥터 호환성 및 전력 공급 기능 측면에서 응용 분야와 요구 사항이 증가하였고

이러한 요구 사항은 USB Type-C™ 표준의 개발로 이어졌습니다. USB-C는 데이터 공급 사양이 아닌 미니어처 USB 커넥터의 새로운 표준입니다. USB는 개발된 이후로 줄곧 커넥터 호환성과 관련된 문제로 난항을 겪어왔습니다. 표준 직사각형 USB A형 커넥터를 삽입할 때는 항상 머피의 법칙이 적용되어, 극성 커넥터를 어떻게 삽입하든 언제나 위아래가 반대인 경우가 허다합니다(그림 1). 또한, 올바른 방향으로 삽입했다 해도 커넥터가 정확히 맞게 삽입되지 않아 커넥터를 뒤집었다가 다시 삽입했다가를 반복하기도 합니다.

그림 1: USB1.1 이후 많은 유형의 USB 커넥터가 개발자와 사용자를 성가시게 해왔습니다. 소비자 컴퓨터에서 찾아볼 수 있는 가장 일반적인 커넥터는 USB 1.1, 2.0, 3.0, 3.1에 사용되는 USB A형 커넥터입니다. (이미지 출처: Wikipedia)

극성 A형 커넥터는 크기가 커서 소형 소비자 장치에 더 쉽게 통합할 수 있도록 더 작은 크기의 극성 키스톤 마이크로 및 미니 커넥터가 개발되었습니다. 하지만 이러한 제품도 마찬가지로 개발자와 사용자에게 A형 커넥터와 같은 방향 문제를 야기했습니다.

새로운 USB-C 커넥터(그림 1의 오른쪽 하단)는 Android 스마트폰 및 IoT(사물 인터넷) 장치에서 찾아볼 수 있는 USB micro-B 커넥터보다 약간 큽니다. 이는 컴퓨터(호스트) 및 장치 커넥터 모두를 대체하므로 단일 유형으로 여러 유형의 케이블을 대체할 수 있습니다. 또한 USB-C 커넥터에는 키가 지정되지 않으며 선호되는 방향이 없어 커넥터 삽입 방식과 관계없이 잘 연결이 이루어집니다.

USB-C 커넥터 핀아웃 및 전력 수준

USB-C 커넥터는 USB 2.0과 USB 3.1을 모두 지원합니다. USB 3.1에 사용될 경우 표준에 따라 USB 2.0과의 하위 호환성도 지원해야 하며 이는 새로운 설계에 권장되는 사용법입니다. 하지만 낮은 데이터 전송률 설계의 경우 커넥터를 USB 2.0에만 사용할 수도 있습니다.

그림 2: USB-C 24핀 리셉터클 커넥터는 무극 리버시블로 어떤 방식으로 삽입하든 상관없이 플러그가 쉽게 연결됩니다. (이미지 출처: STMicroelectronics)

USB-C 커넥터 리셉터클 핀아웃을 살펴보면 4개의 접지 핀(GND)이 커넥터 외부에 배열되어 있습니다(그림 2). 이 방식은 잡음 내성에 도움이 되며 금속의 접지 커넥터 쉘에 손쉽게 연결하는 데에도 도움이 됩니다. 표준 USB 2.0 양방향 데이터 핀 D+ 및 D-는 중앙에서 복제되며 모든 USB-C 데이터 전송 응용 제품의 필수 사항입니다. USB 3.1에는 RX2+ 및 RX2-와 함께 수신 핀 RX1+ 및 RX-가 포함된 별도의 고속 데이터 전송 및 수신 경로가 있습니다. USB 3.1 전송 데이터 경로는 TX1+ 및 Tx1-과 동일하며 TX2+ 및 TX2-과 중복됩니다.

USB-C 커넥터 표준도 DisplayPort 및 HDMI를 포함한 동영상 전송을 지원합니다. 표준에 따르면 이를 대체 모드라 하는데 이 기사에서는 그와 관련된 내용은 다루지 않습니다.

이 맥락에서 중요한 것은 USB-C 커넥터 표준이 최대 15W의 전력을 위해 5V에서 최대 3.0A의 전류를 제공하도록 규정한다는 점입니다. 이를 더 발전시킨 것이 USB 전력 공급 표준 v2.0으로, 이는 USB 3.1을 지원하는 USB-C 커넥터가 최대 100W(5A에서 20V)의 전력을 공급하도록 규정합니다. 이 전력은 4개의 V_BUS 핀에서 소싱됩니다. 이를 위해서는 USB 인터페이스가 보조 전원에서 주 전원으로 전환되어야 합니다.

USB-C 커넥터 설계를 구현하는 것은 까다로울 수 있습니다.

한 프로젝트에서 최대 100W의 전력을 지원하려면 사용자와 개발자 모두의 안전을 보장하기 위해 기판 레이아웃 절차를 신중하게 수행해야 합니다. 대부분의 프로젝트에서는 그렇게 많은 전력을 소싱할 필요가 없습니다. 예를 들어 전류량이 매우 높은 스마트폰 충전기는 3.0A 등급입니다. 하지만 대부분의 상업용 USB-C 커넥터에서 일반적으로 가장 효율적인 등급은 V_BUS 및 GND 핀 사이의 5.0A입니다. 이는 Amphenol FCI가 제공하는 USB3.1 10137062-00021LF 1세대 직각 USB-C 커넥터에 의해 지원됩니다(그림 3).

그림 3: Amphenol FCI의 10137062-00021LF USB-C 커넥터는 직각 상단 마운트형의 짧은 본체 커넥터로서, 스루홀 실장하거나 표면 실장할 수 있습니다. (이미지 출처: Amphenol FCI)

이 USB-C 리셉터클 커넥터는 최대 5A를 지원하므로 100W를 소싱하려면 20V DC가 필요합니다. 하지만 대부분의 프로젝트에서는 25W(5A에서 5V)가 안전하며 그 정도로 충분합니다. 이 USB-C 커넥터는 초당 5기가비트(Gbits/s)의 USB 3.1 1세대 데이터 전송률을 지원하며 최대 정격 전압은 해당 사양의 100W 최대 전력당 최대 1A를 소싱할 수 있는 100V DC 또는 AC 등급입니다.

이 커넥터는 표면 실장 또는 스루홀 조립을 지원하며 PC 기판의 상단에 장착됩니다. 스테인리스강 커넥터 셸은 알루미늄보다 더 견고하며 GND 핀에 전기적으로 연결됩니다.

셸은 4개의 좁은 탭을 이용해 접지해야 하며 이러한 탭은 커넥터의 한쪽당 2개씩 PC 기판의 슬롯에 끼워집니다. 견고한 연결을 위해 충분한 양의 납땜을 이용해 탭을 PC 전력 접지면에 납땜해야 합니다.

USB-C 커넥터 신호 라우팅

USB 3.1 고속 차동 신호는 서로 인접하고 정확히 동일한 길이가 될 수 있도록 신중하게 라우팅해야 합니다. EMI를 최소화하기 위해 차동 신호의 트레이스를 가능한 한 짧게 유지하고, 최상의 잡음 내성을 위해서는 PC 기판의 내부 레이어에 차동 신호를 배치합니다. 외부 PC 기판 레이어에서 라우팅될 경우 차동 회로 트레이스를 접지 트레이스로 감싸 다른 데이터 회선에서 신호를 분리하도록 합니다. 또한 EMI를 최소화하기 위해 언제나 견고한 접지면을 통해 차동 신호를 라우팅해야 합니다.

USB 케이블 차동 임피던스에 일치시킬 수 있게 차동 트레이스 임피던스가 90옴 ±10%가 되도록 PC 기판을 설계하고, 또한 각 쌍의 단일 종단 임피던스가 동일하도록 각 트레이스를 라우팅합니다. 경험상 이 상황에서 차동 회로의 임피던스는 한 쌍의 인피던스의 두 배입니다. 따라서 각 단일 종단 임피던스가 45옴 ±10% 정도가 되도록 트레이스를 라우팅해야 합니다.

USB-C 전력 신호를 안전하게 라우팅하는 방법

전력 신호를 라우팅하는 것은 더욱 중요합니다. 프로젝트 케이스나 사용자에게 우발적인 단락이 발생하지 않도록 주의 깊게 안전한 방법으로 5A를 소싱해야 합니다. 5A는 PC 기판의 상단 또는 하단 레이어에 라우팅할 수 있지만 PC 기판의 가장자리에 너무 가까워서는 안 됩니다. 이는 인클로저에 대한 충격이나 손상으로 인해 프로젝트 인클로저에 대한 우발적 연결이 발생하지 않도록 방지하는 데 도움이 됩니다.

평방피트당 2온스 두께의 구리를 통해 PC 기판에서 안전하게 5A를 소싱하기 위해서는 44.6밀의 트레이스 폭이 필요합니다. 더 안전한 방법은 내부 PC 기판 레이어에서 5A를 라우팅해 모든 외부 영향으로부터 전류를 절연하는 것으로 여기에는 동일한 구리 밀도로 116밀의 트레이스 폭이 필요합니다(IPC-2221 프로파일을 토대로 계산). 전류 손실을 방지하기 위해 V_BUS 커넥터 핀 근처에 가능한 한 많은 구리선을 라우팅합니다.

수직 실장형 USB-C 커넥터

PC 기판 공간이 부족한 경우 USB-C 리셉터클 커넥터를 수직으로 실장할 수 있습니다. 이를 위해, Amphenol FCI에는 USB 3.1 10132328-10011LF 수직 실장형 USB-C 커넥터가 있습니다.

그림 4: Amphenol FCI의 이 수직 실장형 USB-C 커넥터는 PC 기판 실장 면적이 작으며 기판 공간 절감을 위해 사용할 수 있습니다. (이미지 출처: Amphenol FCI)

이 수직 USB-C 커넥터는 10Gbits/s의 USB3.1 2세대 데이터 표준을 지원합니다. 또한 100V DC 또는 AC의 최대 정격 전압과 최대 5A를 소싱할 수 있는 성능으로 100W의 전력 공급을 지원합니다. 이는 직각 커넥터와 동일한 스테인리스강 셸 구조로 되어 있습니다. 직각 커넥터와 마찬가지로 충분한 양의 납땜을 이용해 하우징의 탭 4개가 PC 기판의 구멍을 통해 안전하게 접지되도록 합니다.

직각 리셉터클과 달리, 이는 커넥터의 작은 종단에 표면 실장되므로 V_BUS 전력 접점이 신호 접점에 더 가깝습니다. 반드시 전력 접점이 신호 접점에서 멀리 떨어져 있도록 신중하게 라우팅해야 합니다. 협소한 공간을 고려할 때 가장 안전한 방법은 서로 다른 PC 기판 레이어에 데이터 쌍과 V_BUS 전력 접점을 배치하는 것입니다.

위의 리셉터클 커넥터로 전력을 소싱할 경우 USB 호스트와 소싱할 전력의 양을 결정하는 장치 간에는 짧은 핸드셰이킹 프로토콜이 있습니다. USB 싱크 소스 간 연결을 처리하는 IC가 있어 개발자는 프로세스를 투명하게 볼 수 있습니다.

좋은 예로는 STMicroelectronics의 STUSB1700 USB-C 소스 컨트롤러가 있습니다. 이 컨트롤러는 5V의 USB-C 호스트 장치 간 연결을 안전하게 관리합니다. 전력 소싱 시 STUSB1700은 전원 단락, 프로그래밍된 한도 이상의 전류 소모, 145°C 이상의 과열, 부족 전압 및 과전압 상태, 역전류 및 역전압 상태를 감지하여 이로부터 보호할 수 있습니다. 이는 개발자 입장에서 복잡성을 줄여주는 동시에 USB-C 시스템의 안전한 설계를 대폭 단순화합니다.

그림 5: 이 회로의 STUSB1700은 3A의 전력을 소싱하며 독립적으로 작동할 수 있습니다. I²C 인터페이스의 마이크로컨트롤러(옵션)로 관리할 경우 풀업 저항기 R3~R10을 추가해야 합니다. (이미지 출처: STMicroelectronics)

STUSB1700은 USB-C 호스트 커넥터에 사용되며 호스트와 장치 간의 새로운 연결을 감지할 수 있습니다. 장치에 필요한 전력을 결정하고 필요한 전류를 소싱할 수 있으며, 또한 장치가 디지털 오디오 부속품인지 여부를 판단해 USB-C 포트를 통해 디지털 오디오를 제공할 수 있도록 신호를 마이크로컨트롤러에 보낼 수 있습니다. USB 장치와 협상해 USB 기본(최대 900mA), USB 중간(최대 1.5A) 또는 USB 높은 전류(최대 3.0A) 중 필요한 전력 공급을 결정할 수도 있습니다.

결론

새로운 USB-C 표준은 적합하게 설계된 장치에 최대 100W의 전력을 손쉽고 안전하게 공급할 수 있도록 합니다. 모든 스마트폰, 디지털카메라, 컴퓨터, 전자기기 부속품이 사용이 간편한 하나의 커넥터에 표준화되므로 개발자는 어떤 크기와 유형의 커넥터를 사용해야 할지, 또한 어떤 것이 미래에 대비한 경쟁력을 갖춘 설계인지 걱정할 필요가 없습니다.