새로운 USB4 Gen 3 Type-C 신뢰성 및 신호 무결성 요구 사항을 충족하는 방법

두 레인에 대한 최대 데이터 전송률이 40Gbits/s인 USB4 인터페이스는 설계자에게 신호 무결성 및 전자파 장해(EMI) 요구 사항을 충족해야 한다는 추가적인 부담을 주었습니다. 현재 여러 데이터 및 디스플레이 프로토콜에서 널리 사용되는 Type-C 커넥터는 상호 버스를 통해 사용 가능한 대역폭을 공유해야 합니다. 또한 설계자는 모든 USB4 부품과 같은 커넥터가 여러 표준 기관의 인증을 받았는지 확인해야 합니다. 다른 설계 과제로는 잘못된 플러그 삽입으로 인한 기계적 손상 위험을 완화하고, 더 높은 내구성과 더 많은 고급 기능이 필요한 최종 제품 및 사용 모델에 맞게 조정해야 합니다.

USB Type-C® 사양에 따라 커넥터는 기존 USB 형태의 모든 기능적 이점과 호환성을 유지하면서 시스템 및 장치의 새로운 요구 사항을 충족해야 합니다. 이 기사에서는 USB Type-C 커넥터의 구성과 기능에 대해 설명하고 커넥터가 사용되는 응용 분야를 살펴봅니다. 그런 다음 EMI를 줄이고 커넥터의 신뢰성과 기계적 무결성을 개선하는 추가 기능을 포함하여 사양에 요약된 모든 고급 기능을 지원하는 Amphenol ICC의 USB4 인증 USB Type-C 커넥터 리셉터클을 사례로 들어 소개합니다.

USB4 Gen 3 Type-C 커넥터

USB Type-C 플러그와 리셉터클은 USB-IF(USB Implementers Forum)에 의해 “USB Type-C Cable and Connector Specification Revision 2.0” 문서에 규정되어 있습니다. 이 문서는 USB-IF 웹 사이트에서 무료로 제공되며 USB Type-C 커넥터의 USB4에 대해 설명합니다.

USB-C 커넥터는 24핀을 사용하며, 하나의 커넥터에서 USB 전력 공급(USB PD), 데이터 전송, 오디오 및 동영상 출력을 지원합니다. USB-C 커넥터에 대해 가장 눈에 띄는 것은 리버시블이라는 점입니다. 즉, 플러그를 리셉터클에 어느 방향으로든 삽입할 수 있습니다. 이는 이전 USB-A 커넥터를 삽입하는 데 어려움이 있었던 사용자에게 매우 유용한 기능입니다. USB-C 플러그 및 리셉터클에 대한 신호 할당을 살펴볼 때 이 기능을 확인할 수 있습니다(그림 1).

그림 1에 표시된 중심 핀 레이아웃은 리셉터클에 대한 것입니다. 두 가지 플러그 방향이 표시되어 있습니다. 위쪽에는 정상적인 방향이 나와 있고 아래쪽에는 180˚ 회전한 플러그가 나와 있습니다. 플러그 방향에 상관없이 플러그를 삽입하면 해당 신호가 일치됩니다.

그림 1: USB-C 플러그 커넥터(위쪽 및 아래쪽) 및 리셉터클(가운데)에 대한 신호 할당의 각 부분을 살펴보면 플러그를 180˚ 회전해도 삽입 시 해당 신호가 올바르게 일치하는 것을 알 수 있습니다. (이미지 출처: Art Pini)

USB-C 커넥터 내의 신호 그룹(표 1에 강조 표시되고, 그림 1에 해당 커넥터 핀 신호의 일치하는 색상으로 표시됨)은 다양한 응용 분야에 사용할 수 있는 USB-C 커넥터의 다양성을 보여줍니다. 고속 차동 신호 레인은 최대 40Gbits/s의 전송 속도를 지원할 수 있고 USB4, 대체 모드 및 터널링 프로토콜 모두에 사용됩니다.

표 1: USB4 커넥터 신호 요약에는 두 고속 차동 신호 레인, USB 2 차동 신호 경로, 전력 및 인터페이스 제어 신호가 포함되어 있습니다. 신호 그룹 채우기 색은 그림 1에 표시된 해당 커넥터 핀 신호의 채우기 색과 일치합니다. (표 출처: Art Pini)

USB4에서 지원되는 대체 모드 프로토콜에는 Thunderbolt, DisplayPort(DP), MHL(Mobile High-Definition Link), PCIe(Peripheral Component Interconnect Express) 및 HDMI(High-Definition Multimedia Interface)가 있습니다. USB PD 프로토콜 핸드셰이크를 통해 구조적인 벤더 정의 메시지(VDM)를 사용하여 대체 모드를 검색 및 구성함으로써 추가 대체 모드를 정의하고 활성화할 수 있습니다.

또한 USB PD를 사용하여 장치에서 전원에서 공급되는 전력 레벨을 협상할 수 있습니다. USB4는 20V, 5A에서 100W의 최대 전력 레벨을 지원합니다. 이 기능을 사용하려면 프로그래밍 가능 전원 공급 장치가 필요할 수 있습니다. 전력 제어와 액티브 케이블을 사용하여 빠르게 충전할 수 있습니다. 장치 간의 전력 계약은 구성 채널(CC) 라인을 통해 복상 마크 코딩을 사용하여 300kbaud(반이중) 속도로 협상됩니다.

오디오, 동영상, 데이터 스토리지, 데이터 통신 응용 분야를 포괄하는 모든 프로토콜에서 공통 커넥터를 사용하면 많은 장점이 있습니다. 또한 개발 중에 있는 새롭게 등장하는 프로토콜을 정의할 수 있습니다.

커넥터 핀 할당은 신호 무결성 최대화를 위한 일반 감지 레이아웃을 보여줍니다. 예를 들어 고속 및 USB 2 데이터 회선은 누화 및 EMI 최소화를 위해 차동적입니다. 또한 모든 데이터 회선은 분리를 방지하기 위해 전력과 접지 버스 또는 다른 저대역 신호 회선 사이에 연결되고, 고속 데이터 회선은 레인 간 누화를 최소화하기 위해 레이아웃의 반대 쪽에 배치됩니다.

Amphenol ICC의 USB4 리셉터클 제품 라인 기능

USB4 설계 과제를 충족하도록 돕기 위해 Amphenol ICC는 기존 표준보다 우수한 네 개의 USB4 Gen 3 리셉터클을 도입했습니다. 이 리셉터클은 표준의 높은 데이터 전송 속도(최대 40Gbits/s)를 충족하고 USB PD와 호환되는 차세대 커넥터이며, 단일 Type-C 커넥터를 통해 전력 충전, 터널링 USB 및 PCIe 데이터 전송을 결합하는 Thunderbolt 인터페이스를 지원합니다. 또한 이 커넥터는 60Hz 화면 주사율에서 4K 초과화질(UHD) DisplayPort 동영상과 오디오를 모두 지원합니다.

이 커넥터는 동영상과 오디오를 전송하면서 대역폭을 동적으로 최적화하는 중요한 USB4 기능을 지원합니다. 표준에 따라 새로운 USB4 커넥터는 이전 버전과 호환되므로, USB 2, 3.1 및 3.2를 비롯한 이전 USB 버전을 지원하되 방향을 반대로 삽입해도 되는 플러그 및 케이블을 제공하여 더욱 향상된 USB 사용자 환경을 구축했습니다. 이 커넥터는 작은 크기와 기능적 다양성으로 인해 새롭게 등장하는 기술에 통합하는 데 적합합니다.

전력과 내구성을 모두 지원하는 기계적 설계

Amphenol ICC USB4 리셉터클은 주기적인 작동에서 우수한 내구성과 내마모성을 제공하여 1만 회 결합 주기의 뛰어난 성능을 제공하도록 설계되었습니다. 고품질 구리 금속 합금을 중심으로 전도 경로를 설계하여 전손실 40mΩ 접점 저항과 최대 100W USB 전력 공급에서 확장된 5A 정격 전류를 보장합니다.

이 커넥터는 미들 플레이트에 향상된 측벽을 사용하여 접촉 면적을 최대화하고 작은 움직임도 없도록 하여 접점 성능을 안정화합니다(그림 2).

그림 2: Amphenol ICC USB4 리셉터클의 향상된 측벽 설계는 잘못된 플러그 삽입에 대한 향상된 기계적 방지와 향상된 EMI 보호를 통해 “작은 움직임도 없는” 연결을 제공합니다. (이미지 출처: Amphenol ICC)

향상된 기계적 기능에는 리셉터클 텅의 모서리에 연결되어 비 Type-C 플러그(예: micro-USB 플러그)가 삽입되지 않도록 차단하는 확장된 측벽 플레이트가 있습니다. 동일한 측벽이 미드 플레이트에 접지되어 차폐를 강화하고 EMI를 줄입니다. 내부 차폐에 딤플을 추가하여 플러그를 안내하고 삽입 중에 플러그 바디 위치를 올바르게 유지합니다. 전체 기계 조립품은 결합 전도성 표면의 안정적인 잠금 성능과 최대 접촉 면적 겹침을 제공하여 접점 저항을 최소화합니다. 완전히 삽입되면 딸깍 소리가 크게 납니다.

Amphenol ICC 제품군

Amphenol ICC 제품 라인에는 네 가지 USB4 Type-C 리셉터클이 있습니다(그림 3).

그림 3: Amphenol ICC USB4 Gen 3 Type C 리셉터클은 상단 실장 버전 3개와 미드 실장 버전 1개를 포함합니다. (이미지 출처: Amphenol ICC)

직각 스루홀 실장 방식의 GSB4D313302Y1HR 상단 실장 리셉터클은 현재 USB-IF의 인증을 받고 Intel에서 Thunderbolt 4용으로 권장됩니다. 외부 셸은 처음부터 끝까지 단면이 균일하고 중심 높이(실장 평면부터 커넥터 텅까지 거리)가 1.58mm입니다.

12402056E512A 및 12402073E512A는 스루홀 실장 방식의 상단 실장 리셉터클이지만, 외부 셸이 중심 높이가 1.57mm인 직사각형으로 되어 있습니다. 이 리셉터클의 표준 인증이 출원 중입니다(기사 작성 시점 기준).

12402075E512A는 미드 실장 리셉터클로서, 중심 높이가 0.47mm에 불과하여 콤팩트 구성에 적합합니다. 이 리셉터클 또한 스루홀 실장을 사용합니다. 이 리셉터클에 대한 인증 또한 현재 출원 중입니다.

모든 리셉터클은 -40°C ~ +85°C 온도 범위에서 작동하도록 제작되어, 차량 내부 응용 분야에 적합합니다.

USB4 커넥터 응용 분야

이러한 리셉터클은 스토리지, 자동차 인포테인먼트, 홈 엔터테인먼트, 주변 소자 인터페이스(모니터/디스플레이, 프로젝터) 및 기타 소비자 응용 제품(예: 노트북(랩톱), 태블릿)에 적합합니다. 이 리셉터클은 작은 크기, 다양한 모드 지원, 전력 제어로 인해 다양한 용도로 활용될 수 있습니다.

결론

다양한 고속 프로토콜 및 전력 레벨을 처리할 수 있는 USB Type-C 커넥터는 빠른 데이터 전송률, 빠른 충전 성능, 간소화된 커넥터가 요구되는 다양한 응용 분야에서 사용될 수 있습니다. USB4는 대체 모드와 터널링을 지원합니다. 이러한 향상된 기능으로 USB4는 더욱 다양하고 열악한 환경 및 응용 분야에서 널리 채택될 것입니다. 설계자가 이 커넥터를 고려하도록 돕기 위해, Amphenol ICC USB4 리셉터클은 EMI 효과를 완화하고, 많은 주기와 폭넓은 온도 범위에서 우수한 연결을 보장하여 기본 USB-IF 사양을 초과하도록 설계되었습니다.