USB-C를 사용하여 연결을 간소화하는 방법

개인용 컴퓨터, 랩톱 및 태블릿이 점차 소형화되면서 인터페이스와 전력 커넥터를 배치할 공간 또한 축소되고 있습니다. 동시에 데이터 전송률은 증가하고 데이터, 오디오 및 동영상 인터페이스 표준은 점점 더 많아지고 있으며 표준마다 인터페이스 커넥터가 다릅니다. 하지만 사용자가 요구하는 단순성과 유연성은 계속 높아져 가고 있습니다. USB Type-C™(USB-C) 물리적 커넥터가 바로 이러한 문제를 해결하는 솔루션입니다.

이 기사에서는 최신 연결성 요구 사항과 USB-C를 사용하여 이러한 요구 사항을 충족할 수 있는 방법을 간략하게 알아봅니다. Tripp Lite by Eaton의 USB-C 도킹, 커넥터 및 케이블을 예시로 살펴보고 이를 통해 장치 연결을 간소화할 수 있는 방법을 제시합니다.

USB 표준

USB 인터페이스 표준은 키보드, 마우스, 탈착식 메모리와 같은 컴퓨터 인터페이스 장치를 위한 주변 장치 버스로 시작되었습니다. 그후 수년에 걸쳐 일련의 표준으로 발전하여 컴퓨터, 주변 장치 및 휴대폰을 위한 선도적인 인터페이스가 되었습니다. 또한 전력 공급(PD)이 추가되고 DisplayPort(DP), 이더넷, 고화질 멀티미디어 인터페이스(HDMI) 등 다양한 프로토콜의 터널링이 가능해졌습니다. 최신 버전인 USB4는 40Gbps의 데이터 전송률과 최대 240W의 PD(Rev. 3.1)를 지원합니다. 또한 USB 3.2, USB 2.0과 같은 이전 표준 버전과의 하위 호환성을 유지합니다.

USB에 사용되는 커넥터는 기존의 USB-A 및 USB-B 커넥터와 그 변형에서 현재의 USB-C 커넥터로 발전했습니다. 최대 10Gbps의 데이터 전송을 지원하는 USB 3.2 Gen 2는 이전 USB-A 및 USB-B 커넥터를 사용할 수 있는 마지막 USB 표준입니다. USB 3.2 Gen 2x2는 20Gbps 데이터 전송률을 지원하고 USB-C 커넥터가 필요하며, USB4도 마찬가지입니다.

USB-C 커넥터

USB-C와 같은 USB 물리적 커넥터는 USB4와 같은 USB 인터페이스 표준과 구분됩니다. 플러그와 리셉터클로 구성되는 USB 커넥터는 USB-IF(USB Implementers Forum)에서 별도로 지정합니다. USB-C 커넥터는 USB-A 마이크로 커넥터보다 약간 더 크며 전체 처리량과 전력 기능에 비해 크기가 작아서 소형 장치에 적합합니다.

USB-C 커넥터는 어느 방향에서든 정합 접점과 결합하도록 배열된 24핀을 사용하여 방향에 상관없이 커넥터를 연결할 수 있습니다. USB-C 커넥터의 신호 핀아웃 할당을 확인해 USB 표준의 전력, 데이터 및 제어 기능을 파악할 수 있습니다(그림 1).

그림 1: USB-C 커넥터의 신호 핀 할당을 보여주며, 어느 방향에서든 정합 접점과 결합할 수 있으므로 방향에 상관없이 커넥터를 연결할 수 있습니다. (이미지 출처: Tripp Lite by Eaton)

USB PD는 장치에서 VBUS와 접지 핀을 사용하여 소스, 전력 싱크(부하), 공급되는 전력 레벨을 협상할 수 있는 대화형 전력 공급 사양입니다. VBUS 전력 접점 4개와 전력 접지 4개가 있습니다. 최대 전력 레벨은 장치에 사용되는 USB 표준에 따라 정의되며 USB PD 사양을 따릅니다. USB PD에서 전원과 부하 장치 사이의 전력 계약은 채널 구성(CCx) 라인을 사용하여 협상됩니다.

CCx 라인은 연결 방향과 채널 구성을 감지하는 데 사용되며, USB PD를 통한 전력 제어 및 신호 전송에도 사용됩니다. USB PD에서는 5A의 전류 레벨에서 48V 공급 전압을 기준으로 240W의 최대 전력 레벨을 사용할 수 있습니다. 모든 USB-C 케이블은 CCx 라인을 포함하고 USB PD를 지원하지만, USB PD에 지정된 전체 범위의 전압 및 전류를 지원하지 않을 수 있습니다. 지원되는 전력 레벨은 케이블 규격서를 참조하십시오.

전용 D+ 및 D- 라인은 최신 USB 버전보다 낮은 데이터 전송률로 작동하는 이전 버전의 USB 2.0 표준과 호환성을 유지합니다.

파란색으로 강조 표시된 핀은 4개의 차동 신호 쌍을 포함하여 SuperSpeed USB를 지원하는 2개의 데이터 레인을 형성합니다. USB 3.2 Gen 2x1에서 10Gbps, USB 3.2 Gen 2x2에서 20Gbps, 그리고 USB4 Gen 3x2에서 40Gbps의 데이터 전송률을 지원합니다.

측파대용(SBU1 및 SBU2) 라인은 USB-C 사양에서 지원되는 대체 미디어 모드에서 사용되는 보조 신호이며, 커넥터 세트의 다목적 사용을 가능하게 합니다. AUX 채널에서는 링크 관리 및 테스트 모드 제어를 처리합니다. 장치 간 전력 계약을 설정한 후 USB PD는 대체 모드(Alt Mode) 데이터 링크(예: DP)를 시작할 수 있습니다. 또한 SBU 링크를 통해 벤더 정의 메시지(VDM)를 사용하여 대체 모드 핸드셰이킹을 협상합니다. DP 대체 모드 협상 후 DP는 연결을 설정하기 위한 링크 트레이닝을 진행합니다. DP 링크 트레이닝에서는 DP 소스와 싱크 간 링크를 최적화하여 데이터 스트리밍을 위한 강력한 연결을 보장합니다. DP 대체 모드에서는 USB-C 케이블을 사용하여 USB 데이터, 동영상 그래픽 어레이(VGA), 디지털 영상 인터페이스(DVI), HDMI 및 DP 동영상 신호를 처리할 수 있습니다.

USB를 통해 대체 프로토콜을 전송하는 옵션은 프로토콜 터널링입니다. 프로토콜 터널링은 한 프로토콜에서 데이터 파이프를 생성하여 케이블을 통해 다른 프로토콜의 데이터를 전송하는 기술입니다. 이 메커니즘을 사용하여 USB-C 터널을 통해 장치 간에 DP 또는 PCIe 데이터를 전송할 수 있습니다.

USB-C 케이블

USB-C 케이블은 사용 중인 USB 표준에 따라 다양한 길이, 전력 처리 및 데이터 전송 속도를 제공합니다. Tripp Lite by Eaton은 USB-C 커넥터를 사용하는 장치에 광범위한 기능과 확장 옵션을 제공하기 위해 100가지에 가까운 USB-C 케이블을 제공합니다.

양쪽 끝에 플러그가 있는 USB4 케이블인 U520-31N이 좋은 예시입니다. 이 케이블은 60Hz의 화면 주사율로 4K 또는 8K 동영상 해상도를 제공하는 DP 대체 모드를 지원합니다. 또한 U520-31N은 USB PD와 호환되고 20V에서 5A를 처리하여 100W의 전력을 공급합니다. 케이블의 길이는 0.7925m(2.6피트)이고 정격 최대 전송률은 40Gbps입니다. USB-C 케이블의 최대 전송률은 길이에 반비례합니다.

비교를 위해 MTB3-01M5-5A-B(그림 2)는 20Gbps 전송률로 데이터를 처리할 수 있는 USB 3.2 Gen 2x2 호환 케이블이며, 60Hz에서 4K 동영상 해상도를 지원합니다. USB4 케이블과 마찬가지로 이 케이블은 동일한 100W 정격과 호환되는 USB PD입니다. 이 케이블은 길이가 1.5m(5피트)이므로 최대 데이터 전송률이 더 낮습니다.

그림 2: MTB3-01M5-5A-B는 최대 20Gbps를 지원하는 USB 3.2 Gen 2x2 케이블입니다. (이미지 출처: Tripp Lite by Eaton)

USB-C 어댑터

어댑터는 컴퓨터의 입력/출력(I/O) 포트에 연결되며 프로토콜을 다른 표준으로 변환합니다. 예를 들어 Tripp Lite by Eaton U436-06N-GB-C는 데이터 전송률이 5Gbps인 USB 3.0, USB 3.1 Gen 1 또는 USB 3.2 Gen 1을 사용하는 장치에서 작동하는 USB-C와 기가비트 네트워크를 연결하는 USB-C to 기가비트 네트워크 어댑터입니다(그림 3).

그림 3: U436-06N-GB-C는 USB-C 충전 포트가 있는 USB-C to 기가비트 이더넷 어댑터입니다. (이미지 출처: Tripp Lite by Eaton)

입력 커넥터는 USB-C 플러그이고 출력은 이더넷 RJ-45 잭입니다. 또한 이 어댑터에는 최대 60W(3A에서 20V)를 공급할 수 있는 USB-C 잭이 포함되어 있습니다. 이 어댑터를 사용하면 USB-C만 지원하는 랩톱에서 무선 연결을 사용할 수 없거나 무선 연결이 너무 느릴 때 유선 이더넷 연결을 이용할 수 있습니다.

USB 표준이 다양한 프로토콜을 처리할 수 있다는 것을 고려하면 다중 포트 어댑터가 등장하는 것은 당연한 일입니다. 이러한 어댑터에서는 소형 랩톱에서 더 이상 사용할 수 없는 데이터 통신 포트를 제공하기도 합니다.

U444-06N-H4GUC2가 좋은 예입니다. 이 어댑터는 컴퓨터의 USB-C 포트에서 디지털 오디오, 60Hz 4K 동영상, USB PD 및 기가비트 이더넷을 지원합니다(그림 4).

그림 4: U444-06N-H4GUC2 다중 포트 어댑터는 HDMI, 이더넷, USB-C 충전 포트 및 USB-A 포트를 컴퓨터에 추가합니다. (이미지 출처: Tripp Lite by Eaton)

U444-06N-H4GUC2의 USB-A 포트에서는 7.5W(1.5A에서 5V)를 공급할 수 있고, USB-C 충전 포트에서는 25W(5A에서 5V)를 공급할 수 있습니다.

랩톱을 작업 공간으로 변환하는 도킹 스테이션

도킹 스테이션은 USB-C 커넥터를 통해 여러 포트를 추가하여 랩톱의 연결성을 확장합니다. 도킹 스테이션은 기본적으로 랩톱을 다기능 작업 공간으로 변환합니다. 예를 들어 Tripp Lite by Eaton U442-DOCK2-S USB-C는 HDMI, mini DP, VGA, 이더넷, SD 및 microSD 메모리, USB-C 전력 공급, USB-A 커넥터 3개의 전용 포트를 추가합니다(그림 5). 또한 3.5mm 헤드폰 잭이 포함되어 있습니다.

그림 5: U442-DOCK2-S USB-C 도킹 스테이션은 오디오, 동영상, 메모리, USB, 이더넷 등 랩톱에서 사용 가능한 포트의 수와 유형을 늘립니다. (이미지 출처: Tripp Lite by Eaton)

mini DP 및 HDMI 포트는 30Hz 동영상에서 4K x 2K 해상도를 지원하고, VGA 포트는 60Hz에서 1080P 해상도를 지원합니다. 이더넷 RJ-45 포트는 10/200/1000Mbps 이더넷을 지원합니다. USB-A 포트 3개는 키보드, 마우스, 플래시 드라이브, 포인터, 스마트폰과 같은 USB 주변 장치에 사용할 수 있습니다. 이 포트는 최대 7.5W(1.5A에서 5V)의 DC 전력을 공급합니다. 양방향 USB-C 충전 포트는 최대 60W(3A에서 20V)를 처리할 수 있습니다.

랩톱의 USB-C 포트는 USB 표준의 다중 프로토콜 기능을 사용하여 이러한 다양한 인터페이스를 지원합니다.

결론

USB-C 커넥터는 최대 40Gbps의 데이터 처리량, 최대 120W의 PD를 지원하며 방향에 상관없이 연결 가능합니다. 기능을 최대한 활용할 수 있도록 Tripp Lite by Eaton은 케이블, 어댑터 및 도킹 스테이션 형태의 다양한 USB-C 솔루션을 제공하여 단일 USB-C 커넥터에서 강력한 기능과 연결성을 지원합니다.