USB-PD: 구성 요소 및 시스템 설계

오래된 벽 충전기로 휴대폰을 충전할 때 몇 시간이 걸리는 반면, 새로운 벽 충전기에 연결하면 매우 빠르게 충전되는 이유가 궁금하셨나요? 전자 제품 설계자라면 문제를 알고 있을 것입니다: 오래된 벽 충전기는 출력 전류가 너무 낮아 합리적인 시간 내에 배터리를 충전할 수 있는 충분한 전력을 제공하지 못합니다. 새로운 휴대폰은 전력을 많이 소모하는 괴물들이며 빠르게 완전히 충전하기 위해 더 많은 전류가 필요합니다.

USB는 1996년부터 있었지만, 새로운 USB-PD는 Type C 커넥터를 통해 모바일 기기에 더 높은 전력 전송을 허용하여 더 빠른 충전을 가능하게 합니다. USB-PD는 양방향 전력 교환도 허용하여 이론적으로 휴대폰이 노트북을 충전할 수 있습니다. 다음은 USB-PD 시스템에 필요한 몇 가지 구성 요소와 USB-PD를 지원하는 다음 제품을 설계하는 방법입니다.

USB-PD 표준

USB-PD의 핵심 전제는 간단합니다: 연결된 기기에 더 많은 전류를 더 높은 전압으로 전송하여 배터리를 더 빠르게 충전합니다. 현재 Rev. 3.0 하의 USB-PD 표준은 최대 20 V/5 A에서 USB Type C 커넥터를 통해 기기 간에 최대 100 W를 전달할 수 있도록 합니다. 그러나 이는 수신 기기가 그만큼의 전압/전류를 견딜 수 있을 때에만 해당됩니다. 지침에 명시된 숫자들은 노트북, 태블릿 및 충분한 전력을 받기 위해 배럴 커넥터가 필요했던 기타 기기를 충전하기 위한 것이었습니다. 예를 들어, 제 1년 된 노트북은 충전을 위해 19.5 V/3.3 A DC 전원 공급 장치가 필요하며, 이는 USB-PD 프로토콜의 범위 내에 있습니다.

USB-PD는 USB Type-C 케이블을 통해 전력을 전송하며 벤더 중립적으로 의도되었습니다. 즉, USB-PD 표준은 제품 설계자들이 다양한 제품에 적응할 수 있는 범용 충전 솔루션을 개발할 수 있는 방법을 제공하려는 의도였습니다. 벤더 중립적이라는 점이 Qualcomm과 Samsung이 각각 모바일 전화를 위해 일부 독점 충전 기술(Quick Charge 및 Adaptive Fast Charging)을 개발하는 것을 막지는 않았습니다. 그러나 USB-PD는 여전히 이러한 모바일 기기나 새로운 IoT/모바일 기기와 함께 사용될 수 있습니다.

아래 표는 서로 다른 전력 수준에서 소싱을 위해 사용되는 표준화된 전압 수준을 보여줍니다. 선택한 구성 요소는 USB-PD 표준과 호환되기 위해 이 특정 출력 전압 및 전류 범위를 충족해야 합니다.

USB-PD 표준은 제안일 뿐 요구 사항은 아닙니다. 예를 들어, 최근의 Apple iPhone은 14.5 V/2 A(29 W)로 충전되어 위 표의 15 V 섹션과 호환됩니다.

USB-PD용 구성 요소

다양한 제품이 다른 전압과 전류를 요구하기 때문에, 충전 호스트는 연결된 기기와 협상하여 올바른 전압/전류를 공급해야 합니다. 구성 요소는 다음 기능을 제공해야 합니다:

• 케이블 부착, 케이블 방향, 및 케이블 역할 감지
• 5V에서 레거시 장치와의 호환성
• 원하는 경우 표준 +D 및 -D 핀을 통한 데이터 전송 제공
• 특정 전압 수준 간 전환
• 정의된 기능(이중 역할, 소스 또는 싱크)

일부 시스템은 여러 개의 USB-PD 전원 스위치와/또는 다수의 하류 장치에 전력 출력을 제공하기 위한 멀티플렉서가 필요할 것입니다. 입력/출력 전력 조절 및 과전류 억제와 같은 다른 전력 시스템 구성 요소도 필요할 것입니다. 마지막 포인트는 USB-PD의 양방향 특성(이중 역할 모드)을 가능하게 하는 중요한 부분입니다; 여기서는 전용 USB-PD 컨트롤러가 장치 간 전력 전송을 협상하는 데 사용됩니다. 다음은 모든 USB-PD 충전 시스템에 필수적인 구성 요소의 예입니다.

ON Semiconductor, FUSB302BMPX

ON Semiconductor의 FUSB302BMPX는 USB-PD 사양에 따라 최대 100W까지 출력하는 전원 스위치입니다. 이 구성 요소는 Rev. 2.0 하에 출시되었지만, 새로운 Rev 3.0 장치와도 호환되며 여전히 활발히 생산되고 있습니다. 이 구성 요소는 노트북, 휴대폰, 휴대용 배터리 구동 충전 장치 및 카메라에서 USB-PD용으로 사용됩니다.

FUSB302BMPX 데이터시트에서 가져온 USB-PD 전력 컨트롤러 블록 다이어그램.

NXP Semiconductors, PTN5100DBSMP

NXP Semiconductors의 PTN5100DBSMP는 단일 Type-C USB 포트에 대한 USB-PD 호환 PHY 인터페이스입니다. 이 IC에는 하류 장치의 사망 배터리 상태를 지원하는 LDO가 포함되어 있습니다. 이 IC는 수신 장치의 입력 PHY 레이어로 구성되거나 이중 역할로 설정될 수 있습니다. 구성은 SPI 인터페이스를 통해 수행되며, 상태 업데이트는 I2C를 통해 제공됩니다. 이 IC는 또한 하류 전력 전달을 위한 전력 버스의 PMOS 전력 MOSFET에 대한 게이트 제어 신호를 제공합니다.

PTN5100DBSMP 데이터시트에서 가져온 기능 블록 다이어그램. (Alt text: TPS65982 데이터시트에서 가져온 USB-PD 블록 다이어그램) https://drive.google.com/open?id=1mNBypQutN1Y7_tr6eVTaTVmfc0ygDNw3

Texas Instruments, TPS65982

Texas Instruments의 TPS65982는 단일 장치에서 USB-PD 전원 스위치, 컨트롤러, 멀티플렉서를 모두 제공합니다. 다른 구성 요소들은 중요한 기능을 다른 IC로 분리하는 반면, 이 구성 요소는 USB-PD가 있는 제품에서 큰 이점을 제공합니다. 이 장치에는 USB PHY 레이어, 사망 배터리 지원을 위한 3.3 V LDO 출력, 그리고 Type-C 전원을 위한 5 V/ 3 A 스위치가 포함되어 있습니다. 최대 20 V/3 A까지 출력할 수 있어 현대 모바일 기기와 호환됩니다. Texas Instruments는 이러한 구성 요소에서 현재 선두 주자로, 유일한 단점은 60 W의 제한된 전력 출력입니다.

TPS65982 데이터시트에서 가져온 기능 블록 다이어그램.

USB-PD 표준에 맞춰 전원 시스템을 설계하면 다음 모바일, IoT 또는 다른 전원 시스템을 훨씬 더 빠르게 충전할 수 있습니다. 위의 구성 요소들은 다음 전원 시스템을 시작하는 데 도움이 될 수 있으며, Octopart와 같은 전자 부품 검색 엔진을 사용하면 필요한 구성 요소를 찾을 수 있습니다. 고급 필터링은 다음 시스템에 적합한 구성 요소를 좁혀주는 데 도움이 됩니다.

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