USB Type-C 포트 구현 과제 및 설계 솔루션

USB 1.1~3.2 이상

1996년에 처음 출시된 USB(Universal Serial Bus)는 다양한 연결 유형의 역할을 통합했으며 컴퓨팅 및 소비자 기술 제품에 널리 사용됩니다. 키보드, 마우스, 프린터, 카메라, 외장 드라이브 등과 같은 여러 주변 장치를 컴퓨터에 쉽고 편리하게 연결할 수 있게 되었습니다. 주변 장치는 더 이상 인터페이스에 의해 정의되지 않으며 사용자는 더 이상 사용하려는 장치를 연결하기 위해 여러 케이블 유형을 처리할 필요가 없습니다.

USB 1.1은 최대 12Mbps의 데이터 전송률을 허용했습니다. USB 2.0은 비디오를 스트리밍하고 외부 장치에서 PC 하드 드라이브로 데이터를 빠르게 전송하는 등 다양한 역할을 처리하기 위해 기준을 480Mbps로 높였습니다. 지정된 VBUS 및 접지 핀을 통해 5V DC에서 최대 2.5W를 공급함으로써 USB 인터페이스를 통해 사용자는 외부 드라이브와 같은 소형 장치에 전원을 공급하거나 추가 전원 공급 장치 연결 없이 랩톱 및 휴대폰을 충전할 수 있습니다. 2007년에 스마트폰 업계는 표준 USB Type-A 콘센트에서 충전할 수 있도록 하고 폐기된 전용 충전기로 인한 전기 낭비 부담을 피하기 위해 핸드셋용 USB 충전 인터페이스를 의무화했습니다.

오늘날의 소비자 트렌드는 콘텐츠를 점점 더 큰 화면 크기로 전송하고 고속 멀티 기가비트 스토리지 드라이브와 데이터를 교환해야 하는 스트리밍 HD 및 4K 울트라 HD 비디오 시스템과 같은 스마트 제품의 임베디드 시스템에 대해 훨씬 더 많은 상호 연결 대역폭을 요구합니다. 증가하는 수요를 처리하기 위해 6Gbps의 HDMI, 8.1Gbps의 DisplayPort, 20Gbps의 Thunderbolt와 같은 새로운 표준이 등장했습니다.

USB의 보편적인 왕관을 유지하기 위해 USB-IF(USB Implementer's Forum)는 먼저 USB 3.2 사양을 도입했습니다. 이 사양은 USB 3.2 Gen1(5Gbps), USB 3.2 Gen2(10Gbps) 및 USB 3.2 Gen2x2(듀얼을 활용하는 20Gbps)의 세 가지 전송 속도를 식별합니다. 레인 물리적 인터페이스). 이들은 SuperSpeed ​​USB 5Gbps, SuperSpeed ​​USB 10Gbps 및 SuperSpeed ​​USB 20Gbps로 소비자에게 판매됩니다.

가장 최근에 USB4는 20Gbps(USB4 20Gbps) 및 40Gbps(USB4 40Gbps) 전송 속도를 지원하도록 지정되었습니다. USB 3.2, USB 2.0 및 Thunderbolt 3과 역호환되는 USB4는 여러 프로토콜을 동일한 물리적 인터페이스에서 결합하고 USB4 패브릭의 전체 속도와 성능을 공유할 수 있도록 하는 연결 지향 터널링 아키텍처를 포함한 변경 사항을 도입합니다.

물리적 연결 업그레이드

새로운 듀얼 레인 고속 사양을 지원하는 동시에 기존 USB 2.0 장비와의 하위 호환성을 허용하려면 새로운 물리적 인터페이스가 필요합니다. USB Type-C(USB-C) 인터페이스는 두 세트의 차동 데이터 채널과 병렬로 작동하는 USB 2.0 버스에 대한 더 많은 연결을 통합할 뿐만 아니라 USB PD(USB Power Delivery) 사양을 지원하는 기능도 추가합니다. 이러한 기능에는 두 세트의 전원 및 접지 핀과 연결된 장치가 레거시 USB 2.0 5V에서 최신 20V/5A 사양에 이르는 전력 소비 요구와 전원 공급 기능을 협상할 수 있는 통신 채널이 포함됩니다. 추가 측파대 사용(SBU)도 포함되어 향후 성능 향상 및 새로운 기능을 허용합니다.

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그림 1. USB-C 커넥터 핀(출처:Diodes Inc.)

USB-C는 사용자의 관점에서 장치 연결을 단순화합니다. 커넥터는 극성이 없으므로 케이블을 위쪽으로 삽입할 수 있습니다. 따라서 USB-C 커넥터에는 이제 USB 3.2, USB4 및 USB PD(Power Delivery)를 지원하는 데 필요한 많은 수의 전원 및 데이터 연결을 수용하고 그림과 같이 USB 2.0과의 하위 호환성을 허용하기 위해 24개의 핀이 있습니다. 그림 1에서.

또한 인터페이스는 양방향이므로 케이블의 양쪽 끝에 동일한 커넥터가 있고 연결된 장치가 호스트 또는 장치 또는 전력 소비자 또는 공급업체로 작동할 수 있습니다.

USB-C 구현

이러한 추가적인 유연성과 추가 핀에 대한 수요로 인해 USB-C 인터페이스는 이전 인터페이스보다 훨씬 더 복잡합니다. 연결된 장치는 데이터와 전원을 모두 소싱 및 싱크할 수 있는 다운스트림 대면 포트(DFP 또는 소스), 업스트림 대면 포트(UFP 또는 싱크) 또는 이중 역할 포트(DRP)로 분류될 수 있습니다. 각각의 경우에 구성 제어를 처리하려면 논리가 필요합니다. 또한 케이블의 플러그인 방향을 감지하고 USB 3.2 및 DisplayPort와 같은 신호를 USB-C 커넥터로 올바르게 전환해야 합니다. 또한 USB 2.0 신호의 다중화, 전원 스위칭 및 충전 제어는 물론 신호 무결성 및 과도 전압 보호에 대한 조항이 필요합니다.

노트북 PC 또는 태블릿과 같은 기기에는 그림 2와 같이 USB 3.2 및 멀티미디어 데이터는 물론 USB PD 기능을 처리할 수 있는 완전한 기능의 USB-C 인터페이스를 제공하는 회로가 포함될 수 있습니다.

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그림 2. USB 3.2 멀티미디어 및 USB PD를 지원하는 USB-C 인터페이스(출처:Diodes Inc.)

그림 2에 표시된 Diodes PI3USB31532와 같은 양방향 매트릭스 스위치는 USB 3.2 Gen2(단일 레인, 10Gbps SuperSpeed+) 및/또는 DisplayPort 1.4 신호의 최대 4개 채널과 USB-C 커넥터. 스위치는 최대 10Gbps에서 신호 충실도를 보장하기 위해 낮은 삽입 손실과 8.3GHz의 넓은 -3dB 대역폭으로 설계되었습니다.

위의 PI5USB31532 기능을 지원하는 것 외에도 6채널 4레인 PI3DPX1205A1과 같은 활성 먹스를 사용할 수 있습니다. 이 먹스는 ReDriver 기능을 통합하여 더 먼 거리를 운전합니다. 수신측 선형 이퀄라이제이션 및 플랫 게인 및 이퀄라이제이션을 위한 출력 설정을 포함한 기능은 동급 CMOS ReDriver의 신호 무결성을 두 배로 보장합니다.

USB Power Delivery 기능은 PD 컨트롤러를 통해 수행되며 USB Type-C 커넥터를 통해 최대 100W의 전력을 공급할 수 있을 뿐만 아니라 USB Type-C 인터페이스를 통해 DP 또는 Thunderbolt와 같은 멀티미디어 데이터의 대체 모드를 활성화합니다.

PI5USB2546A와 같은 장치는 충전 포트 제어, 2.4A 전원 스위치, USB 2.0 D+ 및 D- 데이터 라인용 스위칭을 통합합니다. 이 부품은 충전 다운스트림 포트(CDP) 및 전용 충전 포트(DCP) 모드를 포함한 USB 배터리 충전 1.2 사양을 지원하며 호스트 및 허브 장치는 물론 벽면 충전 어댑터에서도 사용할 수 있습니다.

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그림 3. 스마트폰에 USB-C 구현(출처:Diodes Inc.)

그림 3은 스마트폰에 적합한 USB-C 포트 구현을 보여줍니다. 이 회로는 USB Type-C 구성 채널 컨트롤러 기능과 USB 3.2 Gen2 10Gbps 멀티플렉싱 기능을 통합하여 비극성 USB Type-C 커넥터에 적절한 데이터를 제공하는 Diodes PI5USB31213A의 예를 사용합니다. 이 장치는 CC 핀에서 감지된 전압 레벨을 기반으로 호스트 모드, 장치 모드 또는 이중 역할 포트의 자동 구성을 처리합니다. 또한 커넥터 방향 감지 기능을 제공하고 USB Type-C 인터페이스를 통해 충전 전류를 협상합니다. 또는 PI3EQX10312와 같은 장치를 사용할 수 있습니다. 여기에는 PI5USB31213A에 포함된 모든 기능이 포함되며, 더 긴 추적 거리를 구동할 수 있도록 ReDriver가 포함된 유일한 변경 사항이 있습니다.

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그림 4. USB-C 도크(출처:Diodes Inc.)

마지막 예로서 그림 4는 단일 USB Type-C 포트를 통해 업스트림 호스트에 연결하고 모니터 및 외부 장치와 같은 다운스트림 장치에 DisplayPort, HDMI, VGA 및 여러 USB 3.2 출력 포트를 제공하는 범용 도킹 스테이션을 보여줍니다. 저장. 또한 기가비트 이더넷 LAN 포트를 제공합니다. 여기에서 PI3USB31532 USB Type-C 크로스바 스위치 또는 PI3DPX1205A1 USB 3.2 Gen 2 / DisplayPort 1.4 활성 크로스바와 같은 장치를 사용하여 USB 3.2 및 DisplayPort 스위칭을 처리할 수 있습니다. 다이어그램에 표시된 전원 스위치를 사용하면 도크가 VBUS 핀을 통해 호스트 컴퓨터에 전원을 공급할 수 있습니다. DP 스위치(예:PI3WVR31310A)의 출력은 DP 커넥터로 직접 전달되거나 HDMI 또는 VGA 변환기를 통해 각각 HDMI 및 VGA 커넥터로 연결됩니다.

결론

장비 설계자는 최대 100W의 전력 공급, USB 3.2 및 USB4 데이터 속도, 다중 프로토콜 지원을 포함하여 최신 USB 전원 및 데이터 기능을 최대한 활용하기 위해 USB-C 포트의 복잡성에 직면해야 합니다. 다양한 통합 솔루션을 사용하여 데이터 스위칭, 전원 스위칭, 충전 제어 및 케이블 방향 감지를 처리할 수 있으므로 설계를 간소화하고 제품 인증을 용이하게 하며 보드 공간과 BOM 비용을 절약할 수 있습니다.