USB Type-C™, USB PD 및 USB 3.1 Gen 2: 새로운 속도 및 전력 표준

전설적인 올림픽 헨디 아트리스로 사용되던 ‘더 빠르게, 더 높게, 더 강하게’라는 구호는 이제 전자 산업에서 '더 빠르게, 더 작게, 더 사용하기 쉽게'로 적용되어 새로운 USB 연결 표준을 나타내는 구호로 사용되고 있습니다.

최신 USB Type-C(USB-C) 포트가 탑재된 차세대 컴퓨팅 제품을 매장에서 이미 보았을 수 있습니다. 단일 유선 연결을 통해 데이터, 전력, 오디오를 모두 전송하는 USB-C의 고유한 기능으로 인해 향후 USB Type-C의 사용이 급격하게 증가할 것으로 기대됩니다. 시장 분석업체 ABI Research에 따르면 이미 USB Type-C의 티핑 포인트에 도달했으며 2021년에는 이 USB 커넥터가 장착된 스마트폰의 글로벌 선적이 8억 3,000만 대에 도달할 것으로 예상됩니다. 너비 9mm, 높이 3.5mm에 불과한 크기로 이전 세대보다 확실히 작으므로 장비 제조업체가 훨씬 더 작은 장치도 제조할 수 있게 되었습니다. 또한 현장에서는 새로운 제품군의 요구 사항(예: 홈 자동화)은 물론이고 IoT 장치의 요구 사항(예: 크기와 부피가 더 작은 최신 커넥터 패키지에 완벽하게 맞는 스마트 센서)도 완벽하게 충족합니다.

사용 편의성

USB-C 응용 제품용 케이블을 양쪽에 연결하여 랩톱 같은 장치에 필요한 전력을 처리할 수 있으므로 용도에 따라 다른 케이블을 사용할 필요가 없습니다.

이러한 다용도성 강화를 위해 커넥터 내부는 더욱 복잡해졌습니다(그림 1). 우선 더 많은 컨덕터가 사용됩니다. 4개 ~ 5개의 컨덕터가 필요한 USB Type-A 및 Type-B 커넥터와 달리 USB-C는 양방향 삽입이 가능하고 4개의 전력 및 접지 쌍과 2개의 신호 쌍을 지원하는 24개의 접점으로 구성됩니다. 또한 내구성 등급이 이전 버전의 1,500회 삽입에서 10,000회로 증가했습니다.

그림 1: USB-C 커넥터 사양은 이전 표준보다 더 엄격해지고 있습니다(이미지 출처: Same Sky).

USB-C의 전력 및 접지 쌍은 정격 전압이 최대 20V이고 공급할 수 있는 정격 전류가 5A로 높아져서 단일 USB-C 연결을 통해 최대 100W의 전력을 전송할 수 있습니다. 그뿐만 아니라 각 데이터와 핀 쌍에서 최대 10Gbps의 데이터 전송률을 관리합니다. 즉, 커넥터의 총합산 용량은 20Gbps가 됩니다.

최신 USB-IF 데이터 및 전력 사양

USB-IF의 최신 데이터 및 전력 사양은 다음과 같이 특히 USB PD(USB Power Delivery: 전력 전달), USB 3.1 Gen 2 및 최근에 완성된 USB 3.2 고속 데이터 사양 내에서 USB-C의 높은 성능 향상을 요구합니다.

• USB PD에서는 총 4개의 전력 및 접지 쌍을 통해 USB-C의 총 100W 전력 전송 기능을 활용합니다.
• USB 3.1 Gen 2는 한 세트의 데이터 레인을 활용하여 10Gbps의 전송률을 정의합니다.
• 마찬가지로 USB 3.2는 두 세트의 10Gbps 데이터 레인을 제어하여 최대 20Gbps 전송률을 유지합니다.

개념적으로, 물리적 연결만 정의하는 USB-C 표준은 USB PD 및 고속 데이터(USB 3.1 Gen 1(SuperSpeed), USB 3.1 Gen 2(SuperSpeed +) 및 USB 3.2 포함) 사양과 구별되어야 합니다.

예를 들어, USB-C 커넥터는 USB PD 표준을 지원하도록 설계되었지만 연결된 장치에 공급하는 전력을 절충하고 관리하기 위해 USB PD 호환 호스트 컨트롤러가 여전히 필요합니다. 또한 케이블은 표준을 지원하도록 구성되어야 합니다.

USB PD는 단순한 전력 증가 그 이상을 의미합니다. 양방향 전력을 쉽게 공급하여 훨씬 더 유연하게 장치를 충전하고 전력을 공급할 수도 있습니다. 뿐만 아니라 USB PD는 데이터 연결 대신 VBUS 연결을 통한 전력 절충 기능을 지원하므로 이제 전력과 데이터를 동시에 전송할 수 있습니다. 표 1은 최신 USB의 전송 기능이 얼마나 향상되었는지 보여줍니다.

표 1: USB 전력 공급 사양

고속 데이터의 사양을 볼 때 USB 3.1 Gen 2는 데이터 및 전력 신호를 정의하지만 물리적 연결은 지정하지 않습니다. 따라서 USB 3.1 Gen 2 장비를 연결하여 기존 Type-A 또는 Type-B 커넥터와 케이블이 충분한 전류, 전압 및 신호 무결성 특성을 보여주는 동안 이를 통해 최대 10Gbps로 통신할 수 있습니다. 동일한 토큰으로 USB-C 커넥터를 활용하여 간단한 하드웨어 어댑터를 통해 USB 2.0과 같은 기존 연결 표준을 지원할 수 있습니다.

연결하기

모든 USB-C 커넥터 또는 케이블 조립품이 동일하게 제작되지 않으며 품질이 우수한 제품일수록 더 뛰어난 성능을 제공하여 케이블 길이가 길어지더라도 더 안정적인 통신을 지원함이 입증됐습니다.

향후 제품에 선택되는 소재 및 USB-C 커넥터의 품질을 고려하여 설계자는 두 가지 버전의 Type-C 리셉터클을 선택할 수 있습니다(그림 2 참조). 일반적으로 표준 SMT 실장 리셉터클은 PCB 위에 배치됩니다. 하지만 이로 인해 총 조립 높이는 PCB 두께와 커넥터 높이를 합산한 값이 됩니다. 중간 실장 커넥터를 PCB에 기계 가공되어 있는 함요 부분에 장착할 수도 있습니다. 이 경우 전체 조립품 높이는 낮아지지만 중간 실장 유형은 커넥터 아래에 신호 트레이스를 연결할 수 없습니다.

그림 2: SMT 및 중간 실장 USB-C 커넥터(이미지 출처: Same Sky)

결론

소비자 가전 환경에서 USB Type-C 커넥터의 인기가 빠르게 높아지고 있습니다. 이러한 증가하는 수요를 지원하도록 전자 부품 제조업체 Same Sky는 SMT와 중간 실장 유형 모두로 다양하고 우수한 품질의 USB Type-C 플러그 및 리셉터클을 제공합니다. 이러한 커넥터는 USB 3.1 Gen 2 사양에 정의된 통신 속도를 지원하면서 설계자의 현재 및 미래 요구를 충족하도록 설계되었습니다. Same Sky는 또한 여러 플러그 및 리셉터클 옵션을 갖춘 다양한 USB 케이블 조립품을 제공합니다.