USB-C 충전 컨트롤러를 사용하여 펌웨어 없이 고속 충전을 신속하게 구현

5G 스마트폰의 더 큰 디스플레이, 향상된 성능, 더 높은 데이터 처리율 추세로 인해 고속 충전 기능과 함께 더 큰 배터리 용량이 요구되고 있습니다. 설계자는 급속 충전에 대한 소비자의 까다로운 기대치를 충족하는 데 필요한 전력 수준에서 과열을 발생시킬 수 있는 비효율성을 일으키는 기존의 충전 방법을 넘어서야 합니다.

USB Type-C®(USB-C) PD(전력 전달) 3.0에 프로그래밍 가능 전원 공급 장치(PPS) 기능을 도입하면 효과적인 솔루션을 제공하는 데 도움이 되지만 필요한 펌웨어 개발로 인해 제품 출시가 지연될 수 있습니다.

이 기사에서는 고속 충전 5G 폰과 관련된 문제와 설계자가 더 큰 배터리의 더 빠른 충전 요구 사항을 효율적으로 충족하는 데 USB-C PD 3.0 PPS가 어떻게 도움이 되는지 설명합니다. 그런 다음, 개발자가 유한 상태 신호 발생기(FSM)에서 USB-C PD 3.0 PPS를 구현하는 ON Semiconductor 고집적 USB-C 컨트롤러를 사용할 수 있는 방법을 보여줍니다. 이 장치는 펌웨어 개발이 필요하지 않으므로 차세대 충전기의 고속 충전 구현을 가속화할 수 있습니다.

고속 충전 어댑터에 대한 새로운 과제를 제시하는 초강력 스마트폰

시장 분석에 따르면 5G 스마트폰은 2023년까지 총 스마트폰의 50% 이상을 차지할 것으로 예측되고 있습니다. 그러나 이러한 폰에서 5G 서비스를 이용하게 되면 사용자는 기존의 폰 충전기 및 충전 스테이션이 이 차세대 스마트 폰의 고속 충전 요구 사항에 적합하지 않다는 것을 알게 될 것입니다.

삼성 S20 Ultra 5G와 같이 5G 폰에서 이미 확인한 바와 같이 이러한 정교한 장치는 더 큰 디스플레이를 제공할 뿐만 아니라 이전 세대 폰에 비해 향상된 처리 능력과 훨씬 뛰어난 데이터 처리량을 제공합니다. 이러한 대형 디스플레이와 이에 상응하게 높은 전력 소비에 맞추기 위해, 5G 폰에는 이미 큰 배터리가 장착되어 있습니다. 예를 들어, 6.9in 디스플레이를 사용하는 삼성 S20 Ultra 5G에는 이전 모델보다 용량이 25% 큰 5,000mAh 배터리가 통합되어 있습니다.

소비자는 더 큰 용량의 배터리에서 더 긴 배터리 수명을 기대하지만, 충전 시간은 더욱 짧아지기를 기대합니다(25% 길어지는 것이 아니라). 차량, 가정 및 사무실의 충전소에 대한 증가하는 수요를 충족하려는 제조업체의 경우 배터리 자체의 한계에 직면하여 대용량 배터리의 충전 시간을 단축해야 하는 필요성이 큰 문제가 되고 있습니다.

리튬 이온(Li-ion) 배터리 제조업체는 충전 전류 및 전압에 대해 엄격한 임계값을 지정합니다. 일반적인 리튬 이온 배터리(1,000mAh 기준)는 0.7C 충전 속도 또는 700mA 충전 전류에 대해 정격화되었습니다. 완전히 방전된 5,000mAh 배터리에 적용할 경우 0.7C 충전 속도(또는 3,500mA 충전 전류)가 50% 충전 상태에 도달하는 데 약 45 분이 걸릴 수 있습니다.

더욱 진보된 배터리 전지 기술은 1C 이상의 충전 속도를 지원할 수 있지만 충전기와 충전된 장치 모두가 훨씬 더 높은 전력 수준을 수용해야 합니다. 예를 들어, 더 높은 1.5C 속도로 충전된 5,000mAh 배터리는 0%에서 50%까지 충전되는 데 약 22분이 필요하지만 7.5A 충전 전류는 고효율 충전 시스템에서도 부품에 응력을 가하고 과도한 열 부하를 생성할 수 있습니다. 실제로 USB-C가 전력 및 기타 기능에 대한 업계 표준 인터페이스로 널리 수용됨에 따라, 호환되는 충전기는 USB-C 케이블을 통해 전달할 수 있는 최대 전류로 제한될 수 있습니다. 최대 전류는 연결된 장치에 케이블 정보를 제공하는 eMarker IC를 포함하는 USB-C의 경우 5A입니다. 비 eMmarker 케이블의 경우에는 최대 전류가 3A입니다.

물론 모바일 장치 제조업체는 공급 입력과 배터리 충전 회로 사이에 충전 펌프를 삽입하여 이러한 한계를 극복할 수 있습니다. 예를 들어, 7.5A 충전 시스템을 지원하기 위해 여행용 어댑터는 10V(4A 기준)를 제공할 수 있으며 일반적인 2분할 충전 펌프를 사용하여 충전 회로에 5V(약 8A 기준)를 출력할 수 있습니다. 이 접근 방식을 통해 여행용 어댑터가 USB-C 호환 전류 수준을 유지하면서 USB-C 전압(VBUS)을 높일 수 있습니다.

충전력 향상에 필수적인 효율적인 제어

VBUS 레벨을 5V보다 높게 유지하면 이 고전압, 저전류 접근 방식을 실현할 수 있습니다. USB PD 2.0 사양은 고정 전압 레벨(5V, 9V, 15V 및 20V)과 전류 (3A 또는 5A)의 조합을 지정하는 일련의 고정 전력 전달 개체(PDO)를 정의합니다.

USB PD 2.0 고정 PDO는 더 높은 충전 전력을 가능하게 하지만, 충전 전압과 전류를 너무 높거나 너무 낮은 고정 레벨로 설정하면 비효율적인 충전, 허용할 수 없는 열 부하 및 부품에 대한 응력이 발생할 수 있습니다. 실제로, 충전 회로는 입력 전압(USB-C VBUS에서 공급됨)이 출력 전압(배터리 전압)보다 약간 높을 경우 최적의 효율로 작동합니다. 그러나 배터리 전압은 정상 작동 동안 계속적으로 변하기 때문에 이 최적의 충전 효율점을 유지한다는 것은 어렵습니다. 배터리가 방전되면 배터리 전압과 USB-C 충전 전압(VBUS)의 차이가 커져 충전 효율이 낮아집니다. 반대로 배터리가 충전되면 충전 회로는 배터리를 보호하기 위해 충전 전류를 줄여야 합니다.

여행용 어댑터가 제공하는 충전 수준을 직접 낮추지 않으면 전력 손실이 증가하여 효율성이 떨어지고 열이 발생합니다. 결과적으로 최적의 충전 수준은 지속적으로 변경되므로(종종 증분적 크기) 최대 효율을 달성하려면 충전 전압 및 전류에 대한 증분 수준의 제어가 필요합니다.

USB-C PD 3.0 PPS가 효율성을 개선하는 방법

더 높은 충전 전력에서 보다 효율적인 충전에 대한 증가하는 요구를 해결하도록 설계된 USB-C PD 3.0 PPS 기능을 사용하면 충전 중인 장치(싱크)가 충전기(소스)에 증강 PDO에 애드버타이징된 충전 전압 및 전류를 mV 및 mA 단위로 증가하거나 감소하도록 요청할 수 있습니다. 이 기능을 사용하여 싱크는 충전 효율을 최적화하도록 소스 전압 및 전류를 조정할 수 있습니다.

PPS의 도입은 충전 프로세스가 작동하는 방식을 획기적으로 바꿉니다. 과거에는 소스 충전기가 충전 알고리즘을 제어하고 실행했습니다. PPS에서는 충전 알고리즘의 제어가 싱크로 옮겨져 싱크의 지시에 따라 소스가 알고리즘을 실행해야 합니다.

PPS에서는 스마트폰 또는 기타 싱크가 충전 소스와 통신하여 전력 전달을 최적화하고 다음과 같이 간단한 교환을 포함하는 협상 프로토콜을 통해 상호 동의할 수 있는 PD "계약"에 도달합니다.

1. 소스가 연결 케이블이 5A를 지원하는지 확인합니다.
2. 소스가 최대 7개의 PDO에 설명된 소스 전압 및 전류 기능을 애드버타이징합니다.
3. 싱크가 애드버타이징된 PDO 중 하나를 요청합니다.
4. 소스가 요청된 PDO를 받습니다.
5. 소스가 합의된 전압 및 전류 레벨에서 전력을 제공합니다.

앞에서 언급한 삼성 5G 폰과 같은 고급 모바일 장치는 이 기능을 사용하여 호환되는 충전기를 통해 고속 충전을 제공합니다. 고속 충전 여행용 어댑터를 설계하고 다른 제품에 충전소를 구축하는 제조업체의 경우, 이러한 유형의 충전 프로토콜을 구현하려면 일반적으로 프로토콜을 실행하고 관련된 전력 장치를 작동할 수 있는 컨트롤러 펌웨어를 개발해야 합니다. 그러나 USB-C PD PPS처럼 잘 설정된 표준의 경우 FSM 솔루션은 최종 제품 배송을 지연시킬 수 있는 펌웨어 개발의 필요성을 제거하는 효과적인 대안을 제공합니다. PPS를 포함하는 USB-C PD 3.0의 FSM 구현을 사용하는 ON Semiconductor의 FUSB3307 적응형 소스 충전 컨트롤러는 대용량 배터리를 사용하는 차세대 스마트 폰 및 기타 모바일 장치의 고속 충전 요구 사항을 충족할 수 있는 충전기의 개발 속도를 높입니다.

USB-C PD 3.0 호환 고속 충전기를 위한 통합 컨트롤러

ON Semiconductor의 FUSB3307은 외부 프로세서 없이 USB-C PD 3.0 PPS를 구현할 수있는 통합 전원 컨트롤러입니다. 케이블 감지, 부하 게이트 구동기, 여러 보호 기능, 정전압(CV), 정전류(CC) 조정 기능과 함께 이 장치는 하드웨어에 완전한 PD 3.0 Device Policy Manager, Policy Engine, Protocol, and PHY 레이어를 통합합니다.

AC/DC 및 DC/DC 충전기를 모두 지원하도록 설계된 FUSB3307은 PD 전원에 적합한 완전한 응답을 제공할 수 있습니다. 결과적으로 설계자는 비교적 적은 추가 장치 및 부품으로 FUSB3307을 통해 USB-C PD 3.0 호환 공급 소스를 구현할 수 있습니다.

싱크에 연결되면 FUSB3307은 싱크 장치 및 연결 케이블의 기능을 자동으로 감지하고 USB-C 사양에 따라 해당 기능을 애드버타이징합니다. 싱크가 지원되는 PDO를 선택하여 응답하면 FUSB3307은 VBUS 및 제어 전원 회로를 활성화하여 요청된 충전 전압 및 전류 레벨이 싱크로 전달되도록 합니다.

FUSB3307은 전체 제어 기능 세트를 통합하기 때문에 작동의 기본 원칙은 AC/DC 및 DC/DC 충전기 설계 모두에서 개념적으로 동일하게 유지됩니다. 싱크의 명령에 대한 응답으로, 소스의 FUSB3307은 CATH 출력 핀을 사용하여 소스 전력 스테이지에 피드백 제어 신호를 구동합니다. 충전 작업 동안, FUSB3307은 VFB 핀을 사용하여 충전 전압을 모니터링하고 IS+/IS- 핀을 사용하여 감지 저항기에 걸쳐 감지된 충전 전류를 모니터링합니다. 이렇게 모니터링된 레벨은 이제 전압(VFB) 및 전류(IFB) 핀에 연결된 내부 전압 및 전류 루프 오류 회로로 공급됩니다. 이제 이 신호는 CV 및 CC 제어를 위해 CATH 핀을 제어하려고 합니다. FUSB3307의 14핀 소형 아웃라인 집적 회로(SOIC) 패키지의 다른 핀은 부하 게이트 구동기, USB-C 커넥터 인터페이스, 보호 기능을 지원합니다.

충전기 설계를 간소화하는 FUSB3307 소스 컨트롤러

물론 각각의 충전기 유형에 대한 설계는 기본 CATH 출력, VFB 입력 및 기타 핀에 대해 서로 다른 구성을 사용합니다. AC/DC 벽면형 충전기 또는 AC/DC 어댑터에서는 FUSB3307이 2차측의 전압 및 전류를 모니터링하고 1차측에 제어 피드백을 구동합니다(그림 1).

그림 1: 벽면형 충전기 또는 어댑터를 위한 AC/DC 설계에서, FUSB3307은 분리 광 커플러를 통해 PWM 컨트롤러를 제어하여 다양한 충전 전압에 대해 싱크 장치의 명령에 응답합니다. (이미지 출처: ON Semiconductor)

이 충전 설계에서 FUSB3307 CATH 출력 핀은 일반적으로 2차측에 있는 광 커플러 음극에 연결되어 1차측 펄스 폭 변조(PWM) 컨트롤러(예: ON Semiconductor NCP1568)에 피드백 제어 신호를 제공합니다. 2차측에서 FUSB3307 전압 및 전류 감지 입력은 동기식 정류기 컨트롤러(예: ON Semiconductor NCP4308)의 출력을 모니터링합니다.

예를 들어, 자동차 응용 제품의 DC/DC 충전기 설계에서 FUSB3307은 DC/DC 컨트롤러를 직접 제어합니다. 여기서, FUSB3307 CATH 피드백 신호는 DC/DC 컨트롤러(예: ON Semiconductor NCV81599)의 보정(COMP) 핀에 연결됩니다(그림 2).

그림 2: 차량용 충전기를 위한 DC/DC 충전기 설계에서 FUSB3307은 DC​/DC 컨트롤러의 전압 출력을 직접 제어하여 5G 폰 또는 기타 모바일 장치와 같은 싱크의 명령에 따라 출력을 높이거나 낮춥니다. (이미지 출처: ON Semiconductor)

ON Semiconductor는 이러한 특정 DC/DC 충전기 설계를 FUSB3307용 FUSB3307MX-PPS-GEVB 평가 기판에서 구현합니다. 단일 DC 전원 공급 장치에서 작동하도록 설계된 이 기판은 USB PD 3.0(PPS 포함)과 호환되는 완전한 충전 소스를 제공하여 표준에서 제시된 최소 3.3V ~ 최대 21V에 이르는 VBUS 레벨에서 최대 5A 전류를 제공합니다.

이 평가 기판을 통해 개발자는 레거시 USB PD 2.0 장치뿐만 아니라 USB PD 3.0 호환 장치와 FUSB3307의 상호 작용을 탐색할 수 있습니다. 개발자는 기판에서 랩톱 또는 스마트폰과 같은 USB-C PD 지원 장치로 전달되는 VBUS 전압 및 전류를 모니터링함으로써 고속 충전 과정을 즉시 탐색할 수 있습니다.

이 접근 방식은 기성품 USB PD 3.0 5G 폰과 USB PD 3.0 PPS 프로토콜과 상호 작용하여 충전 전압 및 전류를 최적화하는 FUSB3307의 기능에 대한 특별한 통찰력을 제공합니다. 이 기능에 대한 한 데모를 통해^[1], 기성품 삼성 S20 Ultra 5G가 FUSB3307MX-PPS-GEVB 평가 기판에 일련의 명령을 실행하여 크고 작은 단계에서 충전 전압 및 전류를 수정하는 것으로 확인되었습니다(그림 3).

그림 3: ON Semiconductor FUSB3307MX-PPS-GEVB 평가 기판은 충전 전압 및 전류의 미세 조정을 위한 기성 5G 폰의 명령에 응답하는 FUSB3307의 기능을 시연합니다. (이미지 출처: ON Semiconductor)

기판 및 폰이 이 데모 기판에 연결되면 5G 폰은 그림에서 처음 10초에 해당하는 베이스라인 PDO(5.00V 및 최대 5.00A)를 선택합니다. 이 단계에서 충전 전압(VBUS)은 5V이며 5G 폰은 약 2A 충전 전류(IBUS)로 싱킹됩니다. 그런 다음 5G 폰은 4A에서 8V를 공급할 수 있는 소스의 기능을 선언하는 증강 PDO를 요청합니다. FUSB3307은 요청을 준수하며 즉시 변경됩니다. VBUS는 요청에 따라 8V로 점프하며 IBUS는 5G 폰이 증가된 IBUS 전류를 증가시킴에 따라 점진적으로 늘어납니다.

VBUS의 이러한 급격한 상승 이후 PPS로 가능한 충전 전력의 점진적인 증가가 분명해졌습니다. 5G 폰은 약 210ms마다 VBUS의 40mV 증가를 요청하여 VBUS를 훨씬 더 높은 수준으로 램프합니다. IBUS가 4A(그림에서 녹색 파선)에 도달하면 FUSB3307은 표준 PPS 프로토콜을 사용하여 경고 메시지를 실행함으로써 5G 폰에 요청된 전류 제한에 도달했음을 알립니다. 5G 폰은 계속적으로 40mV씩 VBUS를 증가하라는 요청을 실행하여 최종적으로 9.8V에 도달하게 됩니다. 일상적인 사용에서, 이러한 유형의 적응형 소스 충전 기능은 과열이나 싱크 장치에 대한 손상 없이 고속 충전에 요구되는 최대 충전 효율을 달성할 수 있습니다.

ON Semiconductor의 FUSB3307MX-PPS-GEVB 평가 기판을 사용하여 개발자는 기존 장치에서 USB-C PD 사용을 즉시 탐색하고 기판과 관련된 참조 설계를 확장하여 USB PD 3.0과 호환되는 장치에서 맞춤형 고속 충전을 구현할 수 있습니다. 무엇보다도, 구현 시 펌웨어 개발이 필용하지 않습니다. FUSB3307을 통해 개발자는 익숙한 전원 공급 장치 기술을 사용하여 차세대 5G 폰 및 기타 호환 장치의 고속 충전 기능을 최대한 활용할 수 있는 어댑터를 구축할 수 있습니다.

결론

5G 폰은 사용자에게 여러 새로운 기능을 제공하지만 이러한 장치를 지원하는 데 필요한 대용량 배터리는 설계자에게도 문제가 됩니다. 특히 여행용 어댑터와 충전 스테이션이 폰을 과열하지 않고 빠르게 충전할 수 있도록 해야 합니다.

USB PD 3.0 PPS 기능과 완전히 호환되고 펌웨어 개발이 필요 없는 ON Semiconductor의 FUSB3307 적응형 충전 컨트롤러는 즉각적인 설계 솔루션을 제공합니다. 익숙한 전원 공급 장치 및 부품과 함께 이 컨트롤러를 사용함으로써 개발자는 빠르게 확장되는 USB PD 3.0 지원 5G 폰 및 다른 모바일 장치의 기반을 지원할 수 있는 어댑터를 빠르게 구현할 수 있습니다.

참고 자료

1. Convergence of 5G, Fast Charging and USB-C Programmable Power Supplies