USB Type-C 전원 공급 기능을 디자인에 추가하세요!

소개

USB 타입-C 전력 공급(PD)은 하드웨어가 최대 100W(업데이트된 2.1 사양에서는 최대 240W까지!)의 전력을 공급하거나 받을 수 있게 해주는 하드웨어 디자인에서 점점 더 널리 사용되고 있습니다. 이 글에서는 USB 타입-C 전력 공급의 기본 사항을 탐구하고 전용 PD IC를 자신의 디자인에 쉽게 통합하는 방법을 배워보겠습니다.

그림 1 USB 타입-C PD 데모 보드

USB 커넥터와 해당 케이블, 예를 들어 USB 타입-A와 타입-B는 USB의 역사 대부분에 걸쳐 데이터 및 전력 연결의 표준이었습니다. 그러나 이러한 인터페이스는 전력 전달 측면에서 제한이 있습니다. 반면, USB 타입-C는 더 높은 전류 처리 능력을 가진 핀과 전력 협상을 위한 통신 채널 핀을 제공하는 더 다양한 솔루션을 제공합니다.

그림 2 USB 타입-C 커넥터 (출처: Farnell)

그림 3 USB-C 커넥터 핀 배치 (출처: All About Circuits)

특히 전력 전달에 관심이 있는 핀은 물론 전력 및 접지 핀(VBUS, GND)이지만 통신 채널 핀(CC1, CC2)도 있습니다. 이 CC 핀은 장치(싱크 및 소스) 간의 전력을 협상하는 데 사용할 수 있습니다.

여기서 USB 타입-C PD 사양에 대해 자세히 다루지는 않겠지만, Texas Instruments와 USB-IF의 두 가지 기초 자료를 확인하는 것이 좋습니다.

또한, USB 타입-C PD 기반 하드웨어 디자인의 전체 비디오 설명을 확인하세요.

USB 타입-C PD 컨트롤러 IC

최대 15W의 전력만 필요한 경우, '직접 협상' 없이 USB 타입-C 전달을 활용하는 매우 간단한 방법이 있습니다. 이는 장치에서 CC1 및 CC1 라인을 별도의 5.1k옴 저항으로 당겨서 전류를 싱크하는 것으로 달성됩니다. 그러나 이 방법은 소스가 이 전력을 지원할 수 있는지 확인할 수 없다는 점을 유의해야 합니다.

그림 4 CC 5.1k 풀다운 저항

USB 타입-C 전력 전달을 설계에 통합하는 더 나은 방법은 USB 타입-C PD 컨트롤러 IC를 사용하는 것입니다. 이러한 집적 회로는 협상 및 전력 전달 과정을 처리하도록 설계되었습니다. 다양한 제조업체에서 이 IC들을 생산하여, 특정 요구 사항에 맞는 다양한 패키지와 기능을 제공합니다. Octopart를 사용하여 다양한 USB PD IC 옵션을 확인하세요!

그림 5 인피니언 USB-C PD IC (출처: 인피니언)

인피니언 CYPD3177에 초점을 맞출 것입니다. 이는 USB PD 3.0 버전 2.0을 지원하며 최대 100와트의 전력 전달(수신만 가능)을 제공하는 USB 타입-C PD 컨트롤러입니다. 이 IC는 USB PD 프로토콜 내에서 다양한 전압 및 전류 요구 사항을 협상하는 것을 매우 쉽게 만들며, 많은 구성 및 외부 회로가 필요하지 않습니다.

또한, CYPD3177은 외부 호스트 컨트롤러를 사용하여 장치를 제어할 수 있는 통합 I²C 블록을 특징으로 합니다. 이는 기본 전압 및 전류 설정을 넘어 USB PD 설정을 사용자 정의하고 미세 조정할 수 있는 기회를 엽니다.

회로도

다행히도, 인피니언은 매우 좋은 데이터시트와 함께 그들의 평가 보드에 대한 하드웨어 디자인 참조를 제공합니다. 회로도를 생성하는 데 필요한 모든 정보가 이 문서들에 포함되어 있습니다.

아래에 간략한 참조 회로도가 표시됩니다:

그림 6 참조 회로도 (출처: 인피니언)

전력 입력 및 USB 타입-C 커넥터

USB 타입-C 커넥터에는 VBUS와 GND, 그리고 CC1/CC2 핀이 연결됩니다. 애플리케이션의 요구 사항에 따라 ESD 보호(필요한 경우 필터링 포함)를 추가하세요.

IC는 VBUS_IN 핀(핀 18)을 통해 전원을 공급받으며 내부적으로 필요한 전압을 생성합니다. 이는 외부 전원 공급 장치가 필요 없기 때문에 매우 편리합니다.
보통, 참조 회로도에 표시된 것처럼 VCCD(핀 24)와 VDDD(핀 23)에 몇 개의 디커플링 커패시터가 필요합니다.

전력 출력 및 FETs

스키마틱 상단에 있는 두 세트의 PFET 트랜지스터를 주목했을 것입니다. 가장 위에 있는 세트는 PD IC(VBUS_FET_EN, 핀 3)에 의해 제어되어 부하 스위치로 작동합니다. CC 라인을 통한 협상이 완료되면, 스위치가 닫혀 USB Type-C 커넥터에 연결된 소스로부터 전력이 귀하의 장치의 관련 하위 시스템으로 흐를 수 있습니다.

아래에 있는 PFET 세트도 비슷한 스위치 기능을 가지고 있습니다. 하지만, 이 스위치는 협상이 실패하고 시스템이 VBUS 라인의 전형적인 +5V(그리고 더 낮은 전류)로 돌아갈 경우에만 PD IC(SAFE_PWR_EN, 핀 4)에 의해 닫힙니다.

적절한 트랜지스터(예를 들어, 낮은 손실, 충분한 전류 처리 능력, 적절한 게이트-소스 및 드레인-소스 전압 한계)와 외부 회로(저항, 커패시터, 다이오드)는 데이터시트 권장 사항에 따라 선택해야 합니다. 특정 부품 선택에 대해서는 이전에 연결된 참조 설계를 따를 수도 있습니다.

전압 및 전류 요구 사항 설정

PD IC는 앞서 언급한 I²C 인터페이스(HPI_SDA 및 HPI_SCL, 핀 12 및 13) 또는 외부 스트래핑 저항(ISNK_COARSE, ISNK_FINE, VBUS_MIN, 및 VBUS_MAX, 핀 5, 6, 1, 및 2)을 통해 제어될 수 있습니다.

스트래핑 저항 옵션의 경우, 관련 핀에서의 전압은 IC 시작 시 샘플링되며 이것이 협상된 전압 범위와 필요한 최대 전류를 결정합니다. 이는 아래 표에서 보여집니다:

그림 7 스트래핑 저항 옵션

기타

앞서 언급한 회로는 이 PD IC가 기능하기 위해 필요한 최소한의 양입니다 - 보시다시피, 그다지 많지 않습니다! 그러나, 특정 애플리케이션에 따라 유용할 수 있는 몇 가지 추가 기능이 있습니다.

예를 들어, I²C 핀은 추가 구성을 위해 호스트 컨트롤러에 연결될 수 있으며, FLIP 핀(핀 10)은 연결된 USB Type-C 케이블의 방향을 나타내고 장치가 데이터를 처리할 수 있는지 여부를 설정하는 데 사용될 수 있으며, FAULT 핀(핀 9)은 소스가 필요한 전압이나 전류를 공급할 수 없거나 과전압 이벤트가 감지되었을 때를 나타냅니다.

PCB

이 특정 PD IC에 대한 PCB 설계는 IC가 QFN 스타일 패키지에 있음에도 불구하고 간단합니다. 아래 이미지는 Altium Designer에서 간단한 2층 보드에 통합된 하드웨어를 보여줍니다. 이 설계에는 고주파 구성 요소가 없습니다(I²C 인터페이스의 상승/하강 시간이 '가장 빠른' 구성 요소입니다).

상단 레이어는 전력 및 신호 라우팅에 사용되며, 하단 레이어는 대부분 중단되지 않은 견고한 접지면에 전념합니다. 여기서는 대체 공급 옵션이 사용되지 않습니다.

그림 8 USB-C PD IC PCB (3D)

우리가 신경 써야 할 것은 전력 연결부가 DC IR 강하를 줄이고 온도 상승을 합리적인 수준으로 유지할 수 있도록 충분히 크기가 조정되어야 한다는 것입니다. 전력을 운반하는 트레이스(또는 폴리곤)를 가능한 한 짧게 유지하고 IPC-2221 계산기를 사용하여 필요한 트레이스 너비를 계산하는 것이 좋습니다. 따라서 PFET 스위치와 같은 전력 처리 구성 요소도 관련 전력 구성 요소에 가깝게 배치됩니다.
동일한 구성 요소의 양쪽에 큰 구리 불균형이 있는 경우, 조립 과정을 용이하게 하기 위해 열 완화를 사용하는 것이 좋습니다.

또한, 디커플링 및 바이패스 커패시터는 PD IC의 관련 핀 가까이에 배치해야 합니다. QFN 패키지 IC에서 더 멀리 떨어진 곳에 ‘덜 중요한’ 부품, 예를 들어 스트래핑 저항을 배치할 수 있습니다. 이렇게 하면 장치를 팬아웃하는 데 충분한 공간이 생깁니다.

그림 9 USB 타입-C PD PCB 라우팅

결론

이 글에서는 자체 하드웨어 설계에서 USB 타입-C 전력 전달을 구현하는 기본 사항을 개괄했습니다. 우리가 본 바와 같이, 전용 PD IC 덕분에 과정은 매우 간단하며, 필요한 부품도 많지 않습니다.

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