자동차에 호환되는 USB-C 연결을 제공하는 특수 커넥터

USB(범용 직렬 버스) Type-C 커넥터가 등장하면서 다양한 소비자 장치 간의 연결이 표준화 및 간소화했습니다. 자동차 시스템 설계자는 인포테인먼트와 같이 안전과 관련이 없으면서 빠른 속도가 요구되는 기능에 USB-C를 사용하여 이점을 얻을 수 있습니다. 그러나 소비자 응용 제품에 맞게 설계된 기존 USB-C 커넥터는 자동차 환경에 필요한 견고성, 신뢰성 및 안전성을 만족시키지 못했습니다.

이 기사에서는 USB-C에 대한 간략한 소개와 함께 USB-C를 자동차 설계에 통합할 때 설계자가 직면하는 과제에 대해 설명합니다. 그런 다음 설계자가 이러한 문제를 해결하는 데 사용할 수 있는 Hirose의 USB-C 커넥터를 소개합니다.

USB의 진화

기본 A형 폼 팩터로 시작된 USB는 소비자, 테스트 계측, 심지어 산업용 애플리케이션에서 병렬 포트 및 RS-232와 같은 많은 레거시 버스를 대체했습니다. 이는 플러그 앤 플레이 방식의 사용 편의성, 저렴한 비용, 작은 크기, 빠르고 간단한 플러그/언플러그, 전원 및 디지털 신호를 모두 처리하는 기능, 광범위한 공급업체 지원 등의 장점 덕분입니다. 향상된 USB-C 버전은 더 작은 물리적 크기, 더 빠른 속도, 더 높은 전력 처리 능력, 리버시블 커넥터를 제공합니다.

USB-C는 모든 신형 스마트폰과 소형 소비자 기기에 의무화될 정도로 큰 성공을 거두었으며, 그 결과 매우 높은 용량과 향상된 기기 상호운용성을 제공합니다. 표준 USB-C 크기는 8.4mm × 2.6mm, 24핀입니다. 본체와 핀은 대칭형(리버시블)으로 되어 있어 기계식 업/다운 키가 필요 없습니다. 또한 데이터 전송과 충전을 동시에 할 수 있습니다. 또한 오디오 및 비디오 데이터를 전송하기 위해 DisplayPort Alt 모드와 HDMI 어댑터 및 브리지를 지원할 수도 있습니다.

이러한 기능은 자동차 엔터테인먼트 시스템 설계자에게 유용합니다. 또한 USB-C는 다른 연결 옵션에 비해 비용 절감, 편의성 향상, 무게 감소의 잠재력을 제공할 뿐만 아니라 기존 USB 자원의 광범위한 에코시스템도 제공합니다.

자동차용 USB-C가 많은 가능성을 제공하기는 하지만, 설계자는 극심한 진동과 온도 변동, 높은 전자기 간섭(EMI), USB 케이블과 커넥터의 불일치로 인한 잠재적인 고장 위험에 대해 고려해 봐야 합니다.

자동차에 USB-C 도입

적합한 커넥터에 대한 수요가 발생하자 Hirose에서는 자동차 환경의 고유한 요구 사항을 충족하는 AU1 계열 USB-C 커넥터를 출시했습니다. 이 계열의 커넥터는 내부 장치와 외부 장치 연결 사이의 가교 역할을 하며 USB 3.2 Gen2, DisplayPort 1.4 및 HDMI와 같은 표준을 지원합니다. 이 제품은 기존 Hirose CX 계열을 기반으로 구축되어 원활하게 작동합니다(그림 1).

그림 1: AU1 계열의 차량용 USB-C 커넥터(아래)는 CX 계열(위)을 빌딩 블록으로 사용합니다(이미지 출처: Hirose).

이 혁신적인 조합은 20Gb/s(USB 3.2 Gen 2×2)의 일관된 고속 데이터 전송, 240W(USB 전력 공급 3.1 확장 전력 범위(48V, 5A))의 전력 수준, 전체 인포테인먼트 시스템에서 안정적인 연결을 지원하여 고급 기능과 원활한 시스템 통합을 가능하게 합니다.

AU1 계열의 커넥터는 안전한 결합, 진동 및 열에 대한 내성, 까다로운 환경에서도 안정적인 성능을 제공합니다. 이러한 장점이 있어, 원래 의도했던 것보다 더 까다로운 환경에서도 이 커넥터 유형을 사용할 수 있습니다.

이 계열의 커넥터 조립품은 직선 및 직각 방향을 지원합니다(그림 2). 따라서 설계자가 제약이 엄격한 자동차 환경 내에서 케이블을 유연하게 라우팅할 수 있습니다.

그림 2: AU1 계열 커넥터는 직선 및 직각 배열을 지원하며, 데모 기판에는 사용 중인 커넥터가 표시되어 있습니다(이미지 출처: Hirose).

안전하고 정확하며 올바른 결합 보장

이러한 커넥터는 커넥터 위치 보증(CPA) 유닛과 키잉을 비롯한 고유한 장점을 제공하며, CPA 장치가 안전하고 정확한 결합을 지원합니다. 손가락으로 작동하는 래치(그림 3)는 안전한 기계식 페어링을 제공하고 딸깍 소리가 나므로 래칭 동작이 성공했음을 확인할 수 있습니다.

그림 3: CPA 유닛은 결합 커넥터가 완전히 결합된 후에는 의도적으로 분리하지 않는 한 잠긴 상태로 제자리에 고정되도록 해줍니다(이미지 출처: Hirose).

작동 중 CPA 유닛은 결합이 완료될 때까지 움직일 수 없습니다. 플러그가 완전히 결합되면 리셉터클이 CPA 유닛을 아래로 밀면서 잠금 위치로 이동하여 의도한 대로 결합되었음을 나타냅니다. 결합을 해제하려면 CPA 유닛을 잡아당겨 보조 잠금을 해제하면 딸깍하는 소리가 납니다.

축 방향 또는 방사형 정렬이 잘못되면 반쪽이 딸깍 소리가 나지 않아 사용자가 결합이 제대로 되지 않았음을 알 수 있습니다. 이 커넥터는 자동차 환경에서 예상되는 사용 횟수를 훨씬 뛰어넘는 10,000회 이상의 결합 주기를 견딜 수 있습니다.

키를 지정하면 잘못된 케이블이 대상 결합 반쪽과 결합하는 것을 방지할 수 있습니다. 앞서 언급했듯이 소비자용 USB-C 케이블의 편리한 특징 중 하나는 리버시블하다는 점입니다. 이는 또한 어떤 플러그 끝이 어떤 콘센트에 연결되는지 물리적으로 식별할 수 있는 키잉(keying)이나 방법이 없다는 의미이기도 합니다. '케이블만 잡으면 되는' 소비자 응용 제품의 플러그/언플러그 환경에서는 키잉이 필요 없습니다. 그러나 자동차 응용 제품은 '플러그 앤 리브' 상황일 가능성이 높으며, 조밀한 자동차 케이블 하네스를 설치할 때 배선이 잘못될 위험이 있습니다. 이러한 경우 페어링이 잘못되면 링크가 작동하지 않아 불편을 초래하고 주변기기가 손상될 수 있으며 시스템과 사용자에게 잠재적인 위험이 발생할 수 있습니다.

오배선을 방지하기 위해 AU1 계열 차량용 USB-C 커넥터는 표준 코드(검은색)와 'A 키' 코드(회색/내추럴)의 두 가지 유형의 물리적 간섭 키 코드를 지원합니다(그림 4). 이 두 가지 주요 배열은 인접한 두 개의 케이블과 커넥터의 경우 잘못된 페어링이 물리적으로 불가능하도록 하는 데 도움이 됩니다. 색상 차이도 두 가지 주요 코드를 식별하는 데 도움이 됩니다.

그림 4: 사용자는 두 가지 기계식 키잉 배열 중 하나를 사용하여 케이블 연결 오류를 최소화할 수 있습니다. 표준 키가 있는 커넥터는 검은색이고 'A 키'가 있는 커넥터는 회색(수)/내추럴(암)입니다(이미지 출처: Hirose).

표준 및 전기 성능

이러한 Hirose 커넥터의 환경 및 전기적 기능을 숫자로 살펴볼 수 있습니다. 환경적 측면에서는 -40°C ~ +105°C의 온도 범위에서 작동합니다. 또한 커넥터 유형에 따라 IP54, IP68 또는 IP69K 등급의 방수 및 방진 기능을 제공하며, IP69K는 먼지와 물의 침투에 대해 세 등급 중 가장 엄격한 등급입니다.

이 커넥터는 미국 자동차 연구 위원회(USCAR)-2 및 USCAR-30 표준을 준수하여 신뢰성을 보장합니다. USCAR-2는 차량용 전기 커넥터 시스템의 성능 표준으로, 저전압 도로 차량 응용 제품의 단자, 커넥터 및 부품에 대한 요구 사항을 정의합니다. USCAR-30은 차량용 USB 연결 시스템을 위한 성능 사양으로, USB 커넥터, 케이블, 소비자 주변기기와 차량 내 USB 컴퓨터 소스 간의 전기적 연결에 대한 요구 사항을 다룹니다.

전기적으로 전원 핀(A4/A9/B4/B9(VBUS))은 USB-C 사양에 따라 1.25A 정격이며, 비전원 핀은 0.25A 정격으로 모두 20V_AC 및 V_DC에서 작동합니다. 초기 접점 저항은 최대 40mΩ이며, 표준에 정의된 일련의 스트레스 테스트 후 50mΩ 이하로 약간 상승합니다.

AU1 커넥터 지정 및 조립하기

표준 소비자 AC 라인 플러그와 같은 간단한 커넥터는 대부분의 경우 사용자에 따라 필요한 특정 부품 없이 바로 사용할 수 있도록 완성되어 제공됩니다. 그러나 AU1 커넥터와 같은 정교한 상호 연결은 많은 개별 부품으로 구성되어 있습니다(그림 5). 설계자는 응용 요구 사항에 맞게 이러한 부품 중 일부를 사용자 지정하여 주문할 수 있습니다.

그림 5: AU1 커넥터 조립품의 전체 부품은 다음과 같습니다. 1) USB-C 플러그, 2) 회로 기판, 3) 전선 홀더, 4) 케이블, 5) 실드 1, 6) 실드 2, 7) 내부 몰드, 8) 오버 몰드, 9) 하우징 및 CPA, 10) 리테이너(이미지 출처: Hirose).

그림 6은 사용자가 지정할 수 있는 몇 가지 부품을 보여주며, 여기에는 다음이 포함됩니다(맨 윗줄 왼쪽에서 오른쪽으로).

• AU1MS-24S-SLDA(805) 커넥터 실드
• AU1MS-24RS(805) 커넥터 리테이너
• 검은색 표준 키가 있는 플러그용 AU1MS-24S-HU/C(805) 래치 잠금 하우징 및 CPA(또는 회색 A 키가 있는 AU1MSA-24S-HU/C(805) 래치 잠금 하우징 및 CPA)와 리테이너, 실드 케이스 및 플러그 유닛이 함께 제공됩니다.
• 추가 플러그 유닛이 필요한 설계자를 위해 유닛 내부에 스트래들 마운트 플러그 커넥터인 CX60-24S1-UNIT도 별도 품목으로 제공됩니다.

플러그는 커넥터의 절반에 불과하며, 일치하는 리셉터클이 있어야 합니다. Hirose USB-C 커넥터의 경우 설계자는 다음 가지 버전 중에서 선택할 수 있습니다(그림 6, 아래줄 왼쪽에서 오른쪽).

• 인쇄 회로 기판(PC 기판)에 부착하기 위한 스루홀, 직선형 USB-C 리셉터클 커넥터 AU1FS-24P(805)
• AU1FRA-24P(805) 직각 리셉터클 커넥터

그림 6: 사용자가 지정할 수 있는 커넥터 부품에는 (위줄 왼쪽에서 오른쪽으로) AU1MS-24S-SLDA(805) 커넥터 실드, AU1MS-24RS(805) 커넥터 리테이너, AU1MS-24S-HU/C(805) 래치 잠금 하우징 및 검은색 표준 키가 있는 플러그용 CPA, CX60-24S1-UNIT 스트래들 마운트 플러그 커넥터가 있습니다. 리셉터클 옵션에는 (아래줄 왼쪽에서 오른쪽으로) AU1FS-24P(805) 스루홀, 일자형 USB-C 리셉터클과 AU1FRA-24P(805) 직각 리셉터클이 있습니다(이미지 출처: Hirose).

결론

USB-C 커넥터는 사용성, 속도, 전력 처리 측면에서 바람직한 장점을 제공합니다. 그러나 기본 소비자용 커넥터는 자동차 설계에 기계적으로 적합하지 않습니다. AU1 계열 커넥터는 Hirose의 기존 CX 계열을 기반으로 관련 산업 사양 및 표준을 충족하는 자동차 응용 제품에 적합한 견고한 고성능 Type-C 커넥터를 개발했습니다.