USB Type-C 응용 제품을 구동하는 USB PD 3 싱크 컨트롤러

지역 규제 기관이 표준 USB Type-C® 케이블 및 커넥터를 기반으로 하는 범용 충전 솔루션을 요구하기 시작하면서 장치 전용 충전기가 빠르게 사라지고 있습니다. 지역별 요구 사항을 넘어 이 표준을 충족하려는 제품 설계자는 장치와 충전기 간의 전력 공급을 협상하는 USB 전력 공급(PD) 싱크 컨트롤러를 채택하여 새로운 시대에 맞게 응용 제품을 최적화할 수 있습니다.

2024년 12월 이후 유럽 연합에서 최대 100W 전력을 필요로 하는 모든 유선 충전 장치(랩톱의 경우 2026년까지 한시적으로 의무에서 제외됨)는 USB PD 사양을 준수하는 USB Type-C 충전 포트를 사용해야 합니다. 또한 2025년에는 인도 및 사우디아라비아에서, 2026년에는 캘리포니아에서 이 표준의 채택과 관련한 다른 의무가 발효됩니다.

USB Type-C만으로는 3A에서 5V만 공급할 수 있습니다(총 15W). 100W를 달성하려면 Type-C 커넥터가 더 높은 전압을 협상하면서 고속 데이터를 전송할 수 있도록 하는 USB PD 3.0 또는 USB PD 3.1 사양이 필요합니다.

USB PD 3.0은 최대 5A 전류로 최대 100W 전력과 5V, 9V, 15V, 20V 고정 전압 공급을 지원합니다. 업데이트된 USB PD 3.1 사양은 확장된 출력 범위(EPR)와 고급 전압 공급(AVS)을 지원하여 출력 전력을 최대 240W까지 높이고 28V, 36V, 48V의 세 가지 새 고정 전압을 추가합니다.

USB PD 3.x 사양은 이전 PD 2.0 버전보다 개선되어 장치 배터리의 충전 상태, 배터리 온도, 고장, 과전압 등 응용 제품에 영향을 줄 수 있는 요소를 포함하도록 싱크(전력을 공급받는 장치)와 소스(전력을 공급하는 장치) 간에 교환되는 정보의 양을 늘렸습니다.

USB PD 3.0을 통해 공급되는 100W 전력은 일부 랩톱, 모니터, 심지어 일부 TV를 충전하는 데 충분합니다. USB PD는 또한 동영상 및 오디오 출력(DisplayPort, HDMI 등)과 데이터 전송 프로토콜(예: Thunderbolt 3)을 지원합니다.

고급 응용 제품 제공

제품 설계자는 USB PD 3.x를 활용하여 단일 케이블과 커넥터로 더 빠른 충전과 데이터 전송, 장치 호환성을 통해 사용자에게 더 나은 경험을 제공할 수 있습니다. 또한 소비자와 기업이 여러 장치를 충전하기 위해 여러 개의 케이블과 충전기를 사용하면서 쌓이는 전자 폐기물을 줄일 수 있다고 주장할 수 있습니다.

이 기술을 통해 설계자는 더 적은 수의 포트와 부품으로 설계를 간소화할 수 있습니다. 또한 충전기의 무게와 추가 포장을 제거하여 제조 및 배송 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 새로운 장치별 충전기를 업데이트하는 데 필요한 시간과 노력도 줄일 수 있습니다.

여러 기능에 하나의 케이블과 커넥터를 사용함으로써 설계자는 USB Type-C PD의 높은 출력과 데이터 전송률을 활용하는 새롭고 향상된 응용 제품을 개발하는 데 집중할 수 있습니다. 또한 장치의 연결성과 호환성을 확장하는 도킹 스테이션, 허브, 컨버터와 같은 추가 기능을 통해 제품의 사용자 경험과 기능을 개선할 수 있습니다.

USB PD 3.0을 활용하여 새로운 응용 제품을 개발할 때 제품 설계자는 USB PD 사양을 준수하고 다른 장치 및 충전기와의 상호 운용성을 보장해야 하는 등 몇 가지 과제에 직면하게 됩니다.

특히 이 기술을 사용하는 솔루션은 이전 세대보다 더 복잡한 회로망과 펌웨어를 사용하기 때문에 과전압, 과전류 또는 역극성으로 인한 손상이나 부상을 방지하는 것이 또 다른 중요한 문제입니다. 다양한 프로토콜과 구성을 지원하는 전원 공급 컨트롤러와 신속한 시제품 제작 및 검증을 가능하게 하는 평가 기판이 이러한 과제를 극복하는 데 도움이 됩니다.

USB Type-C PD 활용

USB PD 3.0의 핵심은 표준화된 프로토콜을 사용하여 싱크와 전원 간의 전력 공급을 협상하고 관리하는 기능입니다. USB PD 싱크 컨트롤러는 USB PD 소스(예: 충전기)와 협상하여 장치의 전력 프로파일을 획득합니다. 규격 장치는 필요와 기능에 따라 다양한 전압과 전류를 요청하고 공급할 수 있으며 작동 중에 전력 레벨을 동적으로 조정할 수 있습니다.

전력 공급 협상 및 관리 공정은 4단계로 구성됩니다.

• 검색 단계는 싱크와 소스가 서로를 USB PD 호환 장치로 식별하고 USB Type-C 커넥터의 구성 채널(CC) 핀을 통해 데이터 통신 채널을 설정할 때 발생합니다.
• 기능 교환은 소스에서 싱크에 지원되는 전력 프로파일(전압 및 전류 레벨)을 식별한 다음 요구 사항에 맞는 프로파일을 요청하는 단계입니다.
• 전력 계약은 소스가 싱크의 요청을 수락하거나 거부하는 공정입니다. 수락되면 소스는 합의된 전력 파라미터를 활용하여 요청된 전력을 싱크에 공급하기 시작합니다.
• 전력 규칙 업데이트는 싱크 또는 소스에서 배터리 잔량이나 싱크의 부하 변경 또는 소스의 입력 전력 변경을 수용하기 위해 새로운 전력 협상을 시작할 수 있도록 합니다.

USB PD 3.0에서는 확장 메시지를 활용하여 싱크와 소스 간의 정보(배터리 상태, 온도, 제조업체별 데이터 등) 교환을 관리합니다. 또한 프로그래밍 가능 전원 공급 장치(PPS) 모드를 지원하여 소스 출력 전압과 전류를 세밀하게 제어하고 데이터 통신을 중단하지 않고 싱크와 소스 간의 전력 역할을 원활하게 전환할 수 있습니다.

USB PD 3.0의 또 다른 핵심 기능은 역충전으로, 전력 역할에 상관없이 배터리 용량이 더 큰 장치로 배터리 용량이 더 작은 장치를 충전할 수 있습니다. 예를 들어 동일한 USB Type-C 케이블을 사용하여 랩톱에서 스마트폰을 충전하거나 동일한 스마트폰에서 헤드셋을 충전할 수 있으므로 장치 사용자에게는 하나의 케이블로 여러 장치를 충전할 수 있다는 분명한 이점이 있습니다.

역충전은 일부 장치 또는 충전기와 호환되지 않을 수 있습니다. 또한 소스로 작동하는 장치의 배터리 수명이 줄어들고 회로 설계의 복잡성과 비용이 증가할 수 있습니다. 따라서 모든 전자 응용 제품과 마찬가지로 제품 설계자는 역충전 구현의 트레이드 오프를 비교하여 USB PD 3.x 사양을 준수하는지 확인하고 다양한 장치 및 충전기와의 상호 운용성을 테스트해야 합니다.

USB 3 싱크 컨트롤러

장치에서 USB PD 3.x 기능을 활성화하기 위해 제품 설계자는 프로토콜을 지원하고 소스 장치와의 통신을 처리하는 전용 싱크 컨트롤러를 사용할 수 있습니다.

Diodes Incorporated는 고속 충전, 역충전, PPS 모드 및 USB PD 3.x의 기타 기능을 제공하는 비용 효율적인 고집적 솔루션을 제공합니다. 또한 Qualcomm Quick Charge 4+, Huawei FCP/SCP와 같은 기존 프로토콜을 지원하여 다양한 충전기 및 어댑터와의 호환성을 보장합니다.

AP33771(그림 1)은 USB PD 3.0 준수 펌웨어와 전력 메뉴가 사전 로드된 인터페이스를 제공하여 더욱 간편해진 USB PD 3.0 컨트롤러입니다. 최대 27W의 전력을 공급할 수 있는 출력 채널을 1개 제공합니다.

그림 1: AP33771 싱크 컨트롤러의 핀 할당 (이미지 출처: Diodes Incorporated)

AP33772(그림 2)는 I²C 인터페이스와 내장된 펌웨어를 활용하여 전력 및 전압을 협상하는 USB PD 3.0 컨트롤러입니다. 이 컨트롤러를 사용하여 설계자는 모든 PD 싱크 기능을 더욱 유연하게 구현할 수 있습니다. 또한 최대 45W의 전력을 공급할 수 있는 2개의 출력 채널을 제공하며, 각 채널에 과전압 보호(OVP) 회로가 내장되어 있어 충전기나 케이블에 결함이 있는 경우에 장치가 손상되는 것을 방지할 수 있습니다.

그림 2: Diodes의 AP33772 싱크 컨트롤러는 AP33771와 동일한 크기의 패키지로 제공되지만 핀 할당이 다릅니다. (이미지 출처: Diodes Incorporated)

또한 Diodes는 최대 28V의 EPR/AVS와 최대 21V의 표준 출력 범위(SPR)/PPS를 지원하는 USB PD 3.1 싱크 컨트롤러인 AP33771C를 제공합니다.

이러한 각 컨트롤러는 낮은 대기 전력 소비, 고효율 및 열 차단 기능을 제공합니다. 작은 실장 면적 W-QFN4040-24(4mm x 4mm) 패키지로 제공되므로 콤팩트한 휴대용 장치에 적합합니다.

또한 Diodes는 USB PD 3.0 컨트롤러를 위한 두 가지 평가 기판을 제공합니다. AP33771-EVB와 AP33772-EVB는 모두 Type-C 커넥터가 장착된 장치와 Type-C 커넥터가 장착된 PD 충전기 또는 어댑터를 사용하여 응용 제품을 충전하도록 설계되었습니다. AP33771-EVB는 USB-PD 협상을 위해 간단한 저항 설정을 사용하는 반면, AP33772-EVB는 I²C를 사용합니다.

결론

USB Type-C는 장치 데이터 연결의 글로벌 표준으로 자리 잡아가고 있습니다. USB PD 3.x 프로토콜은 제품 설계자가 전 세계적으로 통용되는 커넥터와 케이블을 사용하여 장치에 더 많은 전력, 더 빠른 충전, 더 나은 데이터 전송을 제공하는 응용 제품을 만들 수 있는 경로를 제공하므로 장치 전용 충전기가 필요하지 않습니다. 제품 설계자는 Diodes Incorporated의 솔루션을 통해 USB PD 3.0 또는 PD 3.1을 장치에 쉽게 통합하여 성능을 향상시키고 사용자 경험을 개선할 수 있습니다.