최소한의 프로그래밍으로 USB-C 장치의 전력 전송을 100W로 빠르게 강화하는 방법

범용 직렬 버스 Type-C(USB-C) 포트가 보편화됨에 따라 많은 사용자가 다양한 연결된 장치에 더 높은 수준의 전력을 공급하기 위해 USB-C 포트를 사용하고 있습니다. 하지만 USB-C 사양은 ‘Type-C 전용’ 장치의 기본 전원 공급 장치를 최대 15W(5V, 3A)로 제한합니다.

이 한계를 극복하기 위해 설계자는 USB 전력 공급(PD)을 추가하고 표준 출력 범위(SPR)에서 최대 100W(20V, 5A)를 공급할 수 있는 Type-C PD 장치를 구축할 수 있습니다. 이제 설계자는 포괄적인 USB PD 프로토콜을 힘들게 프로그래밍하는 대신 기성 PD 컨트롤러를 쉽게 구성하고 AC/DC 충전기 및 전류 제어 USB 포트에 최적화된 맞춤형 PD 기능을 추가할 수 있습니다.

이 기사에서는 PD 시스템의 핵심 요구 사항을 간략히 설명합니다. 그런 다음 onsemi의 FUSB15101MNTWG PD 컨트롤러를 소개하고 평가 기판, 개발 소프트웨어, 프로그래밍/디버그 어댑터, PD 프로토콜 분석기를 사용하여 미리 프로그래밍된 컨트롤러의 펌웨어 구성을 빠르게 시작하는 방법을 살펴봅니다.

프로토콜 제어 전력 조정을 지원하는 스위칭 컨버터

배터리 구동 장치용 아날로그 벽면 충전기가 변압기와 정류기의 단 두 가지 부품으로 구성되었던 적이 있습니다. 지금은 고효율, 높은 유연성, 지속적인 소형화에 대한 요구가 결합되어 간단한 전자 장치를 구동하는 데에도 복잡한 노력이 요구됩니다. 오늘날의 마이크로 컨트롤러 기반 스위칭 컨버터에서는 복잡한 프로토콜을 통해 연결되는 스마트 부하에 맞게 출력 전력을 동적으로 조정해야 합니다.

USB PD는 이러한 프로토콜 중 하나입니다. 버전 3.1에서는 지능형 USB Type-C EMCA(Electronically Marked Cable Assembly) 연결 케이블을 통해 최대 240W의 전기 회선 전력을 조정하는 동시에 이전 USB 표준과의 하위 호환성을 유지합니다. 하지만 24핀 USB-C 커넥터를 통한 동적 PD 송전 제어는 기존 4선식 USB 인터페이스의 데이터 회선에 대한 정전기 전압을 훨씬 초과합니다.

USB PD 장치는 다운스트림 페이싱 포트(DFP) 전원, 업스트림 페이싱 포트(UFP) 전력 소비자(또는 ‘싱크’) 또는 듀얼 롤 포트(DRP) 모드로 작동할 수 있습니다. PD 소스 장치는 내부적으로 풀업 저항기를 두 제어 라인(CC1 및 CC2)으로 전환하고 PD 싱크 장치는 내부 풀다운 저항기를 통해 식별됩니다.

두 CC 라인을 동시에 사용하여 300kHz 클록 속도에서 최대 356비트의 PD 메시지를 전송합니다(그림 1). 짧은 제어 메시지는 두 포트 파트너 사이의 메시지 흐름을 조정하고, 긴 데이터 메시지는 전력을 협상하고 내장형 자가 테스트(BIST)를 제어하거나 OEM 관련 콘텐츠를 전송하는 데 사용됩니다.

그림 1: PD 메시지 구조는 최대 356비트까지 동적으로 변경될 수 있습니다. (이미지 출처: Cypress Semiconductor, embedded.com 인용)

PD 장치 간 전력 협상

USB PD 3.0 SPR은 5V ~ 20V 사이의 여러 정전압 레벨을 정의하고 최대 100W의 정지 전력 프로파일만 지원합니다. 프로그래밍 가능 전원 공급 장치(PPS) 확장을 사용하여 USB 싱크 장치는 필요에 따라 USB 전원에서 3V ~ 21V 사이의 전압을 20mV 단위로 실시간으로 요청할 수 있습니다.

따라서 PPS는 모바일 장치에서 스위칭 컨버터 전자 제품을 간소화하고 열 방출을 줄이고 전력 정합을 최적화하여 충전을 가속화합니다. USB PD 3.1은 최대 240W의 확장된 출력 범위(EPR)를 정의하고 가변 전압 공급(AVS)을 사용하여 15V ~ 48V 사이의 높은 범위에서 버스 전압을 조정합니다.

3A는 일반 USB 케이블의 전류 용량을 이미 초과하므로 USB-IF(USB Implementers Forum)에서는 특수 EMCA 케이블을 사용하도록 규정합니다. 이러한 케이블은 더 두꺼운 전선 단면과 케이블 절연을 제공합니다. 케이블 플러그의 E-Marker 칩은 PD 프로토콜을 사용하여 이러한 강화된 케이블 기능을 확인합니다. 그렇게 하여 소스와 싱크 장치 간의 전력 협상에 영향을 미칩니다.

PD 통신에서는 특수 K 코드를 사용하여 메시지를 기술합니다. 시퀀스의 시작을 나타내는 특수 K 코드 시퀀스를 SOP(Start Of Packet)라고 합니다. SOP, SOP' 및 SOP''라는 세 가지 시퀀스가 정의되므로 DFP(전원, 예: PD 네트워크 충전 어댑터)는 EMCA 케이블 커넥터의 두 E-Marker 칩 중 하나 및 UFP(USB 전원 싱크)와 이니시에이터로 통신할 수 있습니다.

그림 2의 순서도는 EMCA 케이블을 통해 연결되는 두 PD 장치 간의 성공적인 전력 협상 중 메시지 교환을 보여줍니다.

그림 2: EMCA 케이블을 통한 두 USB PD 장치 간의 성공적인 전력 협상을 보여줍니다. 참고: Rqt = 요청, Ack = 확인 (이미지 출처: Cypress Semiconductor, embedded.com 인용)

프로그램 대신 구성

PD 프로토콜의 복잡성은 개발자에게 힘든 프로그래밍 연습으로 해석됩니다. 더 빠른 대안은 맞춤형 기능으로 미리 프로그래밍된 USB PD 컨트롤러를 구성하는 것입니다. 예를 들면 onsemi의 FUSB15101MNTWG 컨트롤러가 있습니다. 이 컨트롤러는 광 커플러를 통해 AC/DC 어댑터의 1차측 스위칭 조정기를 제어하거나 DC/DC 포트 전류 조정기를 직접 제어할 수 있는 고집적 USB PD 3.1 컨트롤러입니다.

이 일체형 솔루션은 디지털 아날로그 컨버터, 아날로그 디지털 컨버터, NTC 온도 감지, NMOS 게이트 구동기 등 최적화된 하드웨어 주변 장치를 통해 회로 복잡성을 최소화합니다. 응용 프로그래밍 인터페이스(API) 탑재 오픈 소스 펌웨어 및 Eclipse 기반 통합 개발 환경(IDE)은 프로그래밍을 간소화합니다.

FUSB15101은 고효율 Arm® Cortex® M0+ 프로세서를 UART 인터페이스와 통합하고 PPS 사양을 지원하여 3.3V ~ 21V 사이에서 출력 전압을 조정합니다. 이 컨트롤러는 프로그래밍 가능한 정전압(CV) 및 정전류(CC) 조정을 제공하고 케이블 손실을 보정합니다. 또한 과전압, 저전압, 과전류 및 고온 보호 기능을 제공하며 USB-C 커넥터 핀에서 과전압 보호 다이오드를 사용할 수 있습니다. PD 컨트롤러는 EMCA 케이블의 E-Marker 칩에 대해 V_CONN 전력을 지원하고 유휴 및 절전 모드에서 품질보증확인서(CoC) 및 DOE(Design of Experiments) 요구 사항을 충족합니다.

일반적인 응용 분야는 다음과 같습니다.

• USB PD 규격 AC/DC 어댑터(응용 제품 1 참조)
• USB PD 규격 DC/DC 포트(응용 제품 2 참조)

응용 제품 1: USB PD 출력을 지원하는 AC/DC 스위칭 전원 공급 장치

이 응용 제품에서 FUSB15101 USB PD 컨트롤러는 광 커플러를 통해 AC/DC 스위칭 전원 공급 장치의 1차측에서 NCP1345Q02D1R2G 준공진형(QR) 플라이백 스위칭 조정기를 제어합니다. NCP1345는 변압기의 보조 권선에서 공급되는 9V ~ 38V 전압으로 작동하며 3.3V의 낮은 USB 출력 전압에서 MOSFET에 충분한 스위칭 전압을 공급하기 위해 2차 보조 권선을 사용하여 4배 더 높은 전압을 생성합니다. 2차측에서 NCP4307AASNT1G 컨트롤러는 동기식 정류를 제어합니다. 세 IC를 결합하여 다양한 PD 전력 프로파일에서 약 90% 효율을 일관되게 달성하는 기어 변속 전원 공급 장치를 구축합니다.

그림 3은 65W(20V/3.25A)를 공급하는 세 IC를 기반으로 하는 USB-C PD 3.0 PPS 기본 충전기의 기본 회로 구성도를 보여줍니다.

그림 3: 이 USB PD 벽면 충전기용 솔루션에서 FUSB15101은 광 커플러를 통해 AC/DC 스위칭 전원 공급 장치의 1차측에서 NCP1345 QR 플라이백 스위칭 조정기를 제어합니다. (이미지 출처: onsemi)

프로그래머는 그림 4와 같이 onsemi의 NCP1342PD65WGEVB 평가 기판을 사용하여 자체 USB PD 전원 공급 장치 응용 제품을 시작합니다.

그림 4: 프로그래머는 NCP1342PD65WGEVB USB-C PD 3.0 벽면 충전기 평가 기판을 사용하여 바로 시작할 수 있습니다. (이미지 출처: onsemi)

콤팩트 RM8 변압기 형태로 된 이 기판의 스토리지 초크는 60W(20V/3A) 출력 전력을 공급합니다. NCP1342BMDCDD1R2G 준공진형 플라이백 스위칭 조정기는 단일 보조 권선에서 9V ~ 28V로 작동합니다. 고성능 오프라인 전력 컨버터 및 USB PD 어댑터를 개발하는 데 적합한 이 장치는 전체 부하 범위에서 효율성 향상을 위해 고속 주파수 폴드백(RFF)을 제공합니다. 집적 활성 X2 방전 커패시터는 방전 저항기가 필요하지 않으며 무부하에서 40mW 미만의 전력 소비를 지원합니다.

응용 제품 2: USB PD 포트용 DC/DC 전류 컨트롤러

이 응용 제품에서 FUSB15101 USB PD 컨트롤러는 NCV81599MWTXG 4단계 벅/부스트, 승압/강압 DC/DC 컨버터 컨트롤러를 구동합니다. 그러면 15W로 제한되는 USB-C 포트를 장치의 내부 DC 전원 공급 장치 또는 배터리를 통해 60W 이상을 공급하는 PD 전원으로 확장할 수 있습니다(그림 5).

그림 5: 이 DC/DC 포트 전류 컨트롤러 응용 제품에서 FUSB15101은 4단계 DC/DC 컨버터 컨트롤러 NCV81599를 직접 제어합니다. (이미지 출처: onsemi)

개발자는 FUSB3307MPX-PPS-GEVB 평가 기판을 사용하여 시간을 절약하고 NCV81599로 테스트 및 프로그래밍을 즉시 시작할 수 있습니다. 이 DC/DC 전류 조정기 회로는 USB 포트를 PD 3.0 PPS 전류원으로 변환하여 3.3V ~ 21V 버스 전압에서 최대 5A를 공급합니다(그림 6). 이 회로는 E-Marker 케이블을 감지하고 독립적으로 작동하거나 테스트 장비에 연결될 수 있습니다.

그림 6: FUSB3307MPX-PPS-GEVB는 USB 포트를 PD 3.0 PPS 전원으로 변환하는 NCV81599용 평가 기판입니다. (이미지 출처: onsemi)

DC 전원 공급 장치 또는 배터리는 FUSB3307 기판의 V_BAT 입력에 4.5V ~ 32V를 공급합니다. 이 회로는 정전압(CV) 또는 정전류(CC) 조정을 처리하며 과전압, 저전압, 단락, 고온 및 케이블 고장 상황으로부터 보호합니다.

FUSB15101 프로그래밍

FUSB15010 펌웨어는 집적 Arm Cortex M0+ 프로세서를 지원하는 고도로 최적화된 Type-C PD 컨트롤러 구동기입니다. 이 펌웨어는 새로운 PD 메시지와 추가 Type-C 상태 흐름을 유연하게 처리할 수 있습니다. 코드는 응용 제품 소스 코드, 하드웨어 추상화 계층, 플랫폼 종속 코드 및 USB Type-C PD 코어 기능을 분리하여 모듈식으로 구성됩니다.

PD 코어 기능은 프로젝트 빌드 옵션을 사용하거나 벤더 정보 파일 ‘vif_info.h’를 수정하여 구성할 수 있습니다. 코드 베이스에는 IDE를 사용하여 컴파일될 수 있는 Eclipse 샘플 프로젝트가 포함되어 있으므로 Type-C PD 독립형 컨트롤러 평가를 빠르게 시작할 수 있습니다.

표 1에서는 FUSB15101에서 지원되는 PD 프로파일을 요약하여 보여주며, PDO는 전력 공급 개체입니다.

표 1: FUSB15101에서 지원되는 PD 프로파일을 보여줍니다. (표 출처: onsemi)

앞서 설명한 대로 충전 프로파일의 파라미터는 ‘vif_info.h’ 파일에서 매우 쉽게 수정할 수 있습니다. 다음 코드는 PDO 4의 최대 전류를 20V/3A에서 20V/3.25A로 변경하는 방법을 보여줍니다.

전류 PDO 값:

#define PORT_A_SRC_PDO_VOLTAGE_4                   400 // 20000 mV

#define PORT_A_SRC_PDO_MAX_CURRENT_4         300 // 3.00 A

새 PDO 값:

#define PORT_A_SRC_PDO_VOLTAGE_4                   400 // 20000 mV

#define PORT_A_SRC_PDO_MAX_CURRENT_4         325 // 3.25 A

IDE 설치, 펌웨어 가져오기 및 이진 파일 컴파일에 대한 자세한 내용 및 지침은 FUSB15101EVBSPG 가이드를 참조하십시오.

프로그래밍 도구 설치 및 일회성 플래시 절차는 UM70086-D 사용 설명서를 참조하십시오. Segger Microcontroller Systems의 8.08.91 J-LINK EDU MINI는 개발을 간소화하는 데 적합한 Arm Cortex-M 프로그래밍 및 디버그 어댑터입니다.

PD 통신 확인

두 USB PD 장치 간의 통신을 확인하기 위해 개발자는 USB PD 3.0 및 USB-C 사양을 지원하는 Infineon Technologies의 CY4500 프로토콜 분석기를 사용할 수 있습니다. 이 장치는 비침습적 테스트를 수행하고 CC 라인에서 정확한 프로토콜 메시지를 캡처합니다. 연결된 EZ-PD 분석 소프트웨어는 두 USB PD 장치 간의 모든 대화 상자 메시지와 EMCA 케이블을 자세히 나열합니다(그림 7).

그림 7: EZ-PD 분석 소프트웨어는 CC 라인을 통해 두 USB PD 장치 사이의 대화 상자를 추적합니다. (이미지 출처: Infineon Technologies)

결론

최종 사용자 장치의 증가하는 전력 요구 사항에 맞게 설계를 조정하려면 USB PD 프로토콜의 기본 사항을 이해해야 하지만, USB PD는 확장 프로그래밍이 필요할 수 있는 복잡한 프로토콜입니다. 시간을 절약하기 위해 개발자는 미리 프로그래밍된 고집적 USB PD 컨트롤러를 사용하여 15W USB-C 전력을 100W 이상으로 높일 수 있습니다. PD 컨트롤러를 간단히 구성하여 맞춤형 PD 기능으로 AC/DC USB 충전기 및 DC/DC USB 포트를 강화할 수 있습니다. 평가 기판 및 PD 프로토콜 분석기를 활용하여 개발 프로세스를 간소화할 수 있습니다.