개요
USB-C와 USB-C PD(Power Delivery)는 더 높은 수준의 전압과 전력을 지원한다. 이는 무방향성 커넥터(reversible connector)로서 핀 간격이 USB Micro-B보다 더 촘촘해 단락이 일어날 위험성이 더 높아졌다. 뿐만 아니라 휴대 전자기기들이 갈수록 복잡해짐에 따라 ESD, 서지, 과전압에 대한 보다 향상된 보호가 필요해졌다. 이 글에서는 포괄적인 기능의 컴팩트한 보호 IC를 사용해서 BOM과 PCB 차지 면적을 크게 줄이는 방법에 대해 설명한다.
 
머리말
새로운 USB Type-C(USB-C) 케이블과 커넥터가 도입되면서 디지털 카메라나 울트라씬 태블릿 같은 전자기기들을 연결하고 전원을 공급할 때 편의성이 크게 높아졌다(그림 1). USB-C는 최대 15W까지 충전이 가능하며, USB-C PD는 최대 100W까지 충전이 가능하므로 더 다양한 디바이스들 간에 충전이 가능해졌다. 하지만 USB Type-C는 시스템 보호에 있어서 새로운 과제들을 제기한다. 이 새로운 커넥터는 USB Micro-B보다 핀 피치가 더 촘촘하므로 VBUS에 대한 연결 시 단락의 위험성을 높인다. 또한 USB PD로 더 높은 전압을 지원하므로 좀더 견고한 보호가 필요하다. 궁극적으로,  전자 부하들이 갈수록 더 복잡해짐에 따라 ESD와 전압 서지에 대해서 보다 향상된 보호 기능이 필요해졌다. 이 글에서는 USB Type-C PD 아키텍처에 대해서 설명하고, D+/D- 데이터 신호 보호와 관련한 과제들을 살펴본다. 그리고 고도로 통합적인 2 x SPDT 스위치를 사용해서 최소한의 BOM과 PCB 면적으로 이러한 과제들을 해결할 수 있는 방법에 대해 설명한다.
 

그림 1: USB-C 케이블을 통해 디지털 카메라와 태블릿을 연결한 장면
 
USB-C PD 시스템
그림 2는 USB-C 케이블로 연결되고 리튬이온(Li+) 배터리로 구동되는 통상적인 휴대기기 전원 관리 시스템을 보여준다. VBUS가 제공되면 차저, 시스템, 나머지 블록들로 전원이 공급된다. 이러한 상황에서는 배터리가 충전된다. VBUS가 제공되지 않을 때는 배터리가 시스템으로 전원을 공급한다. USB-C 케이블은 CC1과 CC2 핀이 포트 연결, 케이블 방향, 역할을 인식하고 포트 제어를 담당한다. D+/D- 라인은 표준 USB-C 통신 라인으로서, 480Mbps 속도로 데이터를 처리하고 D+/D- 보호 디바이스를 사용해서 보호된다. PD 컨트롤러는 PD 프로토콜을 담당한다.
 

그림 2: USB PD 전원 관리 시스템
 
보호 기능과 관련한 과제들
전원 공급 장비 내에서  전기적 서지와 정전기 방전(ESD)은 만연한 것으로, 이들은 서로 간 방해를 일으킬 수 있고 또는 전자 부하와 장비에 손상을 입힐 수 있다. ESD는 인체에서 전자 회로로 정전기 전하가 전달되어서 발생되는 것으로서, 휴대형 전자기기에서 매우 중요하게 다루어야 할 과제이다. 서지(surge)는 낙뢰에 의해서 발생하거나, 또는 낙뢰 스트라이크 가까이에서 길게 이어진 케이블로 유도될 수 있다. 스위치나 릴레이가 온(on)과 오프(off)로 동작할 때도 서지가 발생할 수 있다. 부하 덤프는 자동차에서 배터리 연결이 차단되었을 때 발생하는 서지이다. 우수한 데이터 라인 보호 IC라면 데이터 전송을 방해하지 않으면서 적절한 보호를 제공해야 한다.
 
고도의 통합 솔루션
MAX20334는 2 x SPDT 스위치로서, 휴대 전자기기의 과전압 보호용으로 사용하기에 적합하다(그림 3). 이 IC를 사용해서 하위의 데이터 라인을 고전압 단락, ESD, 서지 이벤트로부터 보호할 수 있다. MAX20334는 낮은 온(on) 커패시턴스와 낮은 온(on) 저항이 특징이다. 이 점은 휴대 기기의 고성능 스위칭 애플리케이션에서 중요하게 요구되는 특성이다. 또한 이 IC는 양(+)의 과전압 및 서지에 대한 보호 기능을 포함한다. USB low/full/high-speed 시그널링을 지원하고, 2.7V ~ 5.5V 전원으로 동작한다. 12범프 (1.23mm x 1.63mm) 웨이퍼 레벨 패키지(WLP)로 제공되며, -40°C ~ +85°C의 확장된 온도 범위에서 동작한다.
 

그림 3: 포괄적인 보호 기능을 제공하는 2 x SPDT 스위치
 
포괄적인 보호 기능 제공
이 IC의 모든 핀들이 ESD 보호 구조를 포함하고 있어, 핸들링 및 어셈블리 시에 ±2kV(인체 모델)까지 이르는 ESD 보호 기능을 제공한다. 더 나아가서 COMA와 COMB(그림 2와 그림 3)는 ±15kV(인체 모델), ±15kV(IEC 61000-4-2에서 정의한 에어갭 방전 기법), ±8kV(IEC61000-4-2에서 정의한 접촉 방전 기법)까지 더 큰 ESD에 대한 보호 기능을 제공한다. 이 ESD 구조는 정상 동작일 때나 디바이스가 파워다운일 때나 모두 높은 수준의 ESD를 견딜 수 있다. ESD 이벤트가 발생하더라도 이 IC는 래치업을 일으키지 않고 계속해서 작동한다. 또한 이 IC는 -30V ~ +45V(IEC61000-4-5)의 서지와 최대 +20.5V의 과전압을 보호한다.
그림 4는 이 IC를 사용할 때와, 양(+)의 서지만을 보호하고 과전압(OV) 및 ESD 보호 수준이 더 낮은 경쟁 디바이스를 사용할 때의 PCB 레이아웃을 비교해서 보여준다. 후자의 경우에는 ESD/서지/OV 요건을 충족하기 위해 추가적인 회로가 필요하므로, BOM 비용을 증가시키고 PCB 면적도 5배 더 넓게 차지한다.
 

그림 4: 통합 IC를 사용할 때의 이점
 
데이터 무결성
그림 5의 아이 다이어그램(eye diagram)을 보면 데이터 신호의 무결성이 우수하다는 것을 알 수 있다. 둥근 파란색 선이 허용되지 않는 빨간색 영역으로부터 최대한의 거리를 유지하고 있다. 이 보호 IC의 높은 대역폭에 의해서 신호 상승 시간 및 하강 시간에서 최소한의 지연과 지터만을 일으키므로 오차에 있어서 상당한 마진을 확보할 수 있다. 이 점은 USB 적합성 테스트를 통과하는 데 있어서 중요하다.
 

그림 5: D+/D- 아이 다이어그램
 
맺음말
USB Type-C는 디지털 카메라나 울트라씬 태블릿 같은 전자기기들을 연결하고 전원을 공급하고 보호하는 데 새로운 과제를 제기한다. 이 새로운 커넥터는 USB Micro-B보다 핀 피치가 촘촘하므로 VBUS에 연결 시 단락의 위험성을 높인다. 또한 USB PD의 경우 전압이 더 높아짐에 따라 보다 견고한 보호가 필요해졌다. 뿐만 아니라 전자 부하들이 갈수록 더 복잡해짐으로써 ESD와 전압 서지에 대해서 향상된 보호가 필요해졌다. 이 글에서는 ±15kV ESD 보호, -30V ~ +45V 서지 보호, +20.5V 과전압 보호를 특징으로 하는 통합적인 보호 디바이스를 사용하면, 이것으로 데이터 라인을 보호하고, 보다 덜 통합된 디바이스 대비 더 적은 BOM과 더 작은 PCB 면적으로 ESD/서지/OV 요건을 충족할 수 있다는 것을 살펴보았다.
 
 
저자 소개
나자레노 (레노) 로제티(Nazzareno (Reno) Rossetti)는 아나로그디바이스(Analog Devices)의  아날로그 및 전원 관리 전문가이다. 이 분야의 다수의 특허에 저자로 참여했다. 이탈리아 토리노 공과대학에서 전기공학 박사학위를 취득했다.
 
조쉬 프랑크하우저(Josh Frankhauser)는 아나로그디바이스(Analog Devices)의 산업용 및 헬스케어 사업부 매니저로서 산업용 통신 솔루션을 맡고 있다. UCLA에서 소재공학 석사학위를 취득했다.
 
(그림 5와 관련해서 도움을 주신 밥 켈리(Bob Kelly)에게 감사드린다.)