매체에 소개된 기술원고     [Contributed Article]

USB 타입-C 및 PD(Power Delivery) 애플리케이션 기초 입문

네이트 에노스(Nate Enos), 브라이언 고슬링(Brian Gosselin)
아날로그 필드 애플리케이션 / 북미 영업 및 마케팅
텍사스 인스트루먼트


이 글에서는 USB 타입-C™ 및 PD(Power Delivery)의 기초 개념, 다양한 애플리케이션, 데이터 및 전력 요구사항 등을 알아본다.

기술이 진화함에 따라서 USB(universal serial bus) 표준이 한계에 다다르고 있다. 갈수록 더 작고, 얇고, 가벼운 디자인이 요구되어 기존의 USB 인터페이스로는 이러한 요구를 충족하기가 어려워졌다. 그리하여 최신 플랫폼 및 디바이스 진화의 요구를 충족하기 위해서 USB 타입-C™ 커넥터 에코시스템이 새롭게 등장했고 애플리케이션들의 전력 요구량이 갈수록 높아짐에 따라서 USB Power Delivery(PD) 규격은 타입-C 커넥터에 맞게 수정되었다.

머리말
타입-C의 가장 큰 특징은 케이블의 어느 쪽으로든 위아래 구분 없이 꽂을 수 있다는 것이다. 하지만 기능이 편리한 것과 그 기능을 위한 특정시스템 차원에서 어떤 것들이 요구되느냐 하는 것은 또 다른 새로운 문제이다.

이 글에서는 비교적 초기 단계에 있는 타입-C를 소개한 뒤 다양한 애플리케이션과 요구사항에 대해 알아본다. 가장 기본적인 형태의 타입-C 애플리케이션에서부터 시작해서 모든 기능을 갖춘 타입-C 및 PD 애플리케이션까지 살펴볼 예정이다. 먼저 USB 데이터가 USB 1.0에서부터 USB 3.1 Gen 2에 이르기까지 어떻게 진화했는지 살펴보자. 표 1은 USB 데이터 전송 관련 규격의 최대 전송 속도를 보여준다. 이 표를 보면 USB 1.x가 1.5Mbps(low speed) 및 12Mbps(full speed)였던 것에서부터 시작해서 USB 3.1 Gen 2에 이르러서는 최고 10Gbps(SuperSpeed+)를 지원하도록 진화했다는 것을 알 수 있다.

그러면 이번에는 USB 전력이 USB 2.0에서부터 USB PD 3.0에 이르기까지 어떻게 진화했는지 살펴보자. 표 2를 보면 플랫폼 및 디바이스들의 갈수록 높아지는 요구량을 충족하기 위해서 시간이 지날수록 최대 치의 전력으로 증가되었다는 것을 알 수 있다. 이 글에서는 USB 타입-C 와 USB PD 3.0에 초점을 맞춰서 설명한다. PD를 사용하지 않으면 타입-C만으로 최대 5V 3A(15W)를 지원한다. PD를 사용하는 경우 타입-C 에코시스템을 통해서 최대 20V 5A(100W)를 지원 가능하다.


표 1: USB 규격과 최대 전송 속도


표 2: USB 규격과 최대 전압, 전류, 전력

데이터 및 전력 역할
애플리케이션을 살펴보기에 앞서, 애플리케이션의 데이터와 전력 전송 역할과 관련된 몇 가지 용어들을 알아보자. USB가 연결되었을 때의 데이터 흐름과 관련해서는, DFP(downstream facing port), UFP(upstream facing port), DRD(dual-role-data)라고 하는 용어가 있는데 DFP는 다운스트림(하위) 데이터 전송을 뜻하며, 통상적으로 호스트 상의 포트이거나 또는 허브 상에서 디바이스로 연결되는 포트를 말한다. DFP는 VBUS 전력(호스트와 디바이스 사이의 전력 경로)을 소싱하며 VCONN 전력도 소싱한다. DFP를 포함하는 애플리케이션 예로는 도킹 스테이션을 들 수 있다.

데이터를 수신하는 포트는 UFP라고 하는데 UFP는 디바이스나 허브 상의 포트로서 호스트나 허브의 DFP로 연결된다. 이러한 포트들은 VBUS를 싱크한다. UFP를 포함하는 애플리케이션 예로는 모니터/디스플레이를 들 수 있다.

끝으로, DRD 포트는 DFP(호스트)로도 동작할 수 있고 UFP(디바이스)로도 동작할 수 있다. 포트가 처음에 취하는 역할은 연결 시의 포트의 전력 역할에 의해서 결정된다. 소스 포트는 DFP의 데이터 역할을 취하며, 싱크 포트는 UFP의 데이터 역할을 취한다. 하지만 USB PD 데이터 역할 전환을 사용하면 포트의 데이터 역할은 동적으로 변환된다. DRD 포트를 포함하는 애플리케이션으로는 랩톱, 태블릿, 스마트폰 등등 다양한 것들이 있다.


그림 1: USB 타입-C 버전 1.2 애플리케이션 예

USB 연결 시의 전력 흐름과 관련해서는 싱크(sink), 소스(source), DRP(dual-role-power)라는 용어가 사용된다. 싱크는 연결되었을 때 VBUS에서 전력을 소모하는 포트를 말하며, 대개가 디바이스이다. 이러한 예로는 USB 구동 조명이나 팬 같은 USB 장치를 들 수 있다. 소스는 연결되었을 때 VBUS를 통해서 전력을 공급하는 포트이다. 소스는 주로 호스트나 허브 DFP이다. 소스 애플리케이션 예로는 타입-C 벽면 충전기를 들 수 있다.

DRP 포트는 싱크로도 작동하고 소스로도 작동하는 두 상태 사이를 전환할 수 있는 포트다. DRP가 처음에 소스로 동작하면 이 포트는 DFP의 데이터 역할을 취한다. DRP가 처음에 싱크로 작동하면 이 포트는 UFP의 데이터 역할을 취한다. 그렇지만 USB PD 전력 역할 전환을 사용하면 DRP의 전력 역할이 동적으로 전환될 수 있다. 예를 들어서 랩톱으로 DRP 포트를 포함하면 이 포트는 랩톱의 배터리를 충전하도록 전력을 수신할 수도 있고 외부 액세서리를 충전하도록 전력을 공급할 수도 있다.

DRP는 소싱하는 디바이스(sourcing device)와 싱크하는 호스트(sinking host) 다시 두 가지의 하위 범주로 구분할 수 있다. 소싱 디바이스는 전력은 공급할 수 있으나 DFP로 동작할 수는 없다. 예를 들면 타입-C 와 PD 호환 모니터는 랩톱의 DFP로부터 데이터를 수신하면서 랩톱도 충전한다. 싱크 호스트는 전력을 소모할 수는 있으나 UFP로 동작할 수는 없다. 다른 예로는 허브의 DFP가 액세서리로 데이터를 전송하면서 그 액세서리로부터 전력을 공급받는 것을 들 수 있다.

PD를 사용하지 않는 타입-C UFP USB 2.0
가장 간단하면서 가장 일반적인 애플리케이션은 PD를 사용하지 않는 UFP USB 2.0이다(≤15W). 마우스, 키보드, 웨어러블, 여타 소형 전자기기를 비롯해서, 오늘날 USB로 구동되면서 SuperSpeed 데이터를 필요로 하지 않는 모든 것은 여기에 속한다.

그림 2는 이러한 타입-C UFP USB 2.0 시스템의 필요한 기능 블록을 보여준다.

지금부터는 독자들이 USB 타입-C 커넥터 핀아웃과 리버서블한 특성에 대해서는 이해하고 있는 것으로 간주하겠다. 다만 필요하다면 이에 관한 좀더 자세한 내용은 부록에서 살펴 볼 수 있다. 이 USB 2.0 PHY는 타입-A나 타입-B 커넥터를 사용하는 이전 USB 2.0 디자인과 별반 다르지 않다. 이 PHY는 USB의 D+ 및 D- 라인에서부터 ULPI(UTMI+ low pin interface)까지 사이에 물리층으로 동작함으로써 애플리케이션 프로세서가 관리를 할 수 있도록 한다. 흔히 USB 2.0 PHY는 프로세서나 마이크로컨트롤러를 통합하지만 필요하다면 TUSB1210 같은 디스크리트 PHY를 사용할 수도 있다. 또한 타입-C 규격에서는 CC(configuration channel) 로직 블록을 도입하였다. 이 로직 블록은 케이블 검출, 방향, 전류 용량을 결정한다.


그림 2: PD를 사용하지 않는 타입-C UFP USB 2.0의 블록 다이어그램


그림 3: CC 로직 풀업/풀다운 종단.
(출처: USB 타입-C v1.2, 그림 4-5 CC 풀업/풀다운 모델)

CC 블록은 다음과 같이 동작한다:

  1. 그림 3에서 보듯이 2개 CC 라인 중의 하나가 풀다운되면 케이블 검출이 이루어진다. DFP는 저항 Rp를 사용해서 두 CC 핀 모두를 풀업하고, UFP는 저항 Rd를 사용해서 두 CC 핀 모두를 풀다운한다[1]. 그러다가 DFP가 CC 라인 중의 하나가 풀다운된 것을 감지하면 연결이 이루어졌다는 것을 알 수 있다.

  2. 방향은 어느 CC 라인이 풀다운되었느냐에 따라서 결정된다(다시 말해서 CC1이 풀다운되었으면 케이블이 뒤집히지 않은 것이다. CC2가 풀다운되었으면 케이블이 뒤집힌 것이다). 능동 케이블이 아니면 남은 한 CC 라인은 개방 상태로 있는다. 능동 케이블이면 남은 한 CC 라인은 Ra를 사용해서 풀다운된다.

  3. 전류 용량은 Rp의 값에 따라서 결정된다. 앞서 언급했듯이 USB 타입-C는 1.5A나 3A를 지원할 수 있다. DFP는 특정한 값의 풀업 저항을 사용해서 전류 전달 용량을 광고(advertise)할 수 있다. UFP는 고정적 값의 풀다운 저항 Rd를 사용해서 연결이 이루어졌을 때 Rp와 전압 분할기를 형성한다. 이 전압 분할기의 중심 탭에서의 전압을 검출함으로써 UFP는 DFP의 광고된 전류를 검출할 수 있다.

끝으로 또 다른 블록은 USB 2.0 먹스이다(흔히 고속(HS) 먹스라고 한다). 점선 표시는 타입-C 규격에서 요구되지 않은 선택적 블록이라는 뜻이다. 이 먹스의 용도를 이해하기 위해서는 먼저 케이블 뒤집힘이 데이터 플로우에 어떻게 영향을 미치는지 이해해야 한다. 타입-C 리셉터클(소켓)에서는 단일 채널 USB 2.0 데이터에 대한 2개의 D+/D- 라인 쌍을 포함한다. 어떤 한 방향일 때는 데이터가 이 쌍 중의 한 쌍을 통해서 흐른다. 그런데 이것의 뒤집힌 방향일 때는 다른 한 쌍을 통해서 데이터가 흐른다. USB 타입-C 규격에서는 D+는 D+로 및 D-는 D-로 이들 쌍을 쇼트시키고 스터브(stub)를 형성하는 것은 허용된다. 의무적이지는 않으나 설계자에 따라 신호 무결성을 향상시키고자 자신의 시스템으로 USB 2.0 먹스를 선택 할 수도 있다.

TI의 TUSB320은 USB 2.0 데이터에 PD를 사용하지 않는 UFP 애플리케이션에 사용하기에 적합하다. 이 디바이스는 케이블 검출, 방향, 전류 용량을 결정하는 CC 로직용으로 컴팩트한 솔루션을 제공한다.


그림 4: PD를 사용하지 않는 타입-C UFP USB 2.0 블록 다이어그램.
*VCONN 스위치는 선택적이다.

PD를 사용하지 않는 타입-C DFP USB 2.0
또 다른 간단하면서 널리 사용되는 애플리케이션은 그림 4에서 보는 것과 같이 DFP USB 2.0에 PD를 사용하지 않는 것이다. 대표적인 예가 5V AC/DC 어댑터이다.

그림 4는 타입-C DFP USB 2.0에 PD를 사용하지 않을 때 필요한 블록들이다. 그림 2와 거의 비슷하지만 몇 개 블록들이 추가되었으며 CC 로직 블록은 동일하다. 다만 DFP의 경우에는 디바이스가 Rp를 제시하고 Rd에서 야기된 풀다운을 모니터링한다. Rp가 풀다운을 검출하면 DFP가 디바이스가 연결되었다는 것을 인식하고 5V를 제공한다. 5V를 항상 공급하는 것이 아니라 디바이스를 검출한 후에라야만 VBUS 라인으로 5V를 공급하는 것(콜드 플러깅 기능)은 USB 타입-C의 새롭게 도입된 기능이다.

USB 2.0 ULPI PHY는 위 디자인에서 설명한 것과 같다. 5V 월 어댑터 같이 데이터를 전송하지 않는 애플리케이션에서는 설계상에서 USB 2.0 ULPI PHY를 뺄 수 있다.

USB 타입-C에서는 콜드 플러깅(cold-plugging)을 도입하기 위해서 그림 4에서 보면 5V VBUS FET을 추가했다는 것을 알수 있다. 그러므로 이 설계는 5V 레일로 스위치를 필요로 한다. 뿐만 아니라 USB 타입-C 규격에서는 모든 소스들이 전류를 모니터링하고 싱크가 자신이 공급할 수 있는 것보다 과도한 전류를 인출하려고 할 때 스스로를 보호하도록 설정되어 있다[2]. 바로 이 때가 과전류 보호 블록의 역할이 필요한 시점이다. 이 두 블록은 PoL(point-of-load) 전원 컨버터로 통합되거나 또는 타입-C 디바이스로 통합될수있다.

그림 4에서는 또한 VBUS 방전 블록이 추가된다. 어떤 디바이스도 연결되어 있지 않을 때 VBUS는 0V로 있어야 한다. 그러므로 USB 타입-C 규격에서는 싱크의 연결이 끊어지고 650ms 이내에 소스가 VBUS를 방전되게 한다[3]. VBUS 방전은 대개 USB 타입-C 디바이스로 통합되거나 블리더 저항에 통합될수있다.

끝으로, VCONN 스위치는 많은 경우에 선택적으로 사용한다. VCONN을 사용해서 5V를 사용하지 않는 CC 라인으로 스위칭해서 수동 “electronically-marked” 케이블 또는 능동 케이블을 구동할 수 있다(부록 참조). “electronically-marked” 케이블은 USB PD 통신을 지원하고 케이블 특성을 판단할 수 있는 방법을 제공하는 케이블이다. 그림 3에서 보듯이, 타입-C 케이블의 한 CC 라인은 Rp에서 Rd로 연결하고, 다른 하나는 부동(floating)으로 두거나(수동 케이블) 또는 Ra(수동 “e-marked” 케이블 또는 능동 케이블)를 사용해서 접지로 풀다운한다. VCONN은 USB 3.1 속도를 지원하거나 3A 이상의 전력 공급을 지원하는 모든 애플리케이션에 필요하다[4]. 능동 케이블을 지원하고자 할 때도 VCONN 스위치가 필요하다. 예를 들면 리드라이버나 리타이머 같은 것을 사용해서 신호 컨디셔닝을 필요로 하는 긴 거리의 케이블 같은 경우이다.

텍사스 인스트루먼트의 TPS25810은 PD를 사용하지 않는 DFP USB 2.0 데이터 애플리케이션에 사용하기 적합한 컨트롤러 제품이다. 이 디바이스는 CC 로직, 5V VBUS FET, 과전류 보호, VBUS 방전, VCONN 스위치 등의 기능을 통합하고 있다.

PD를 사용하지 않는 타입-C DRP/DRD USB 2.0
PD를 사용하지 않는 마지막 USB 2.0 애플리케이션은 DRP/DRD이다. PD를 사용하지 않는 애플리케이션에서는 DRD와 DRP가 같다. 대표적인 예로는 저속 랩톱 포트가 전력을 충전해주든 자신이 충전되든 어느 방향으로든 전력을 전송할 수 있고 호스트나 디바이스로도 동작할 수 있다.  태블릿과 스마트폰도 이러한 애플리케이션들이다. 이 설계 블록 다이어그램은 그림 5와 같다.

그림 4에서 유일하게 달라진 것은 Rp/Rd 스위치를 추가한 것이다. DRP/DRD는 자신을 UFP로든 DFP로든 나타낼 수 있다. 그러므로 이 디자인은 Rp를 사용해서 CC 라인을 풀업하거나 Rd를 사용해서 풀다운(고갈된 배터리일 때 충전을 하기 위한 디폴트)할 수 있는 방법을 가져야만 한다(그림 6). 스위치가 CC 라인을 풀업하고(이 경우에는 전류 소스가 Rd 상으로 특정한 전압 형성) CC 라인을 GND로 풀다운하는 것 사이를 어떻게 전환하는지 확인할 수 있다.


그림 5: PD를 사용하지 않는 타입-C DRP/DRD USB 2.0 블록 다이어그램.
*VCONN 스위치는 선택적이다.


그림 6: Rp/Rd 스위치 개략도

텍사스 인스트루먼트의 TUSB32x 제품군은 PD를 사용하지 않는 DRP/DRD USB 2.0 애플리케이션 용의 다수의 디바이스 제품들을 제공한다. 이들 디바이스들은 CC 로직, Rp/Rd 스위치, 그리고 디바이스에 따라서 VCONN 스위치를 포함한다.

PD를 사용하는 타입-C DRP/DRD USB 2.0
갈수록 더 많은 애플리케이션들이 PD를 필요로 한다. 앞에서 언급했듯이 PD를 사용하는 시스템은 최대 20V 5A(100W)의 전력을 지원할 수 있다. 이렇게 하기 위해서는 먼저 최대 전류는 3A로 유지하면서 VBUS 상의 전압을 높인다. 20V의 최대 전압에 도달한 후에는 전류를 최대 5A로 높일 수 있다(그림 7).


그림 7: PD 프로파일 (전력 레일 및 최대 전류). (출처: USB PD 사양 v3.0 그림 10-2)

그림 7에서는 다음을 알 수 있다:

  1. 필요한 전압 레벨은 5V, 9V, 15V, 20V (USB PD 사양 v3.0에서의 변경 사항)이다.
  2. 전류는 필요한 전력 레벨에 따라서 연속적으로 변화할 수 있다(최대 3A).
  3. 특정한 전력 레벨에서의 소스는 이전의 모든 전압 및 전력 레벨을 지원해야 한다. 예를 들어서 60W 소스로 20V 3A, 15V 3A, 9V 3A, 5V 3A를 공급할 수 있어야 한다. 이것은 더 높은 전력장치가 전원이 낮은 전력 디바이스들을 지원할 수 있도록 하기 위해서 USB PD 사양 v3.0에 이르러서 변경된 것이다. 예를 들어서 랩톱과 휴대전화 둘 다를 충전할 수 있는 충전기를 들 수 있다.

그림 8은 PD 애플리케이션에 사용되는 4개의 새로운 블록들을 보여준다. VBUS FET이 이제 5V부터 20V까지(원하는 전력에 따라서)와 최대 5A(20V를 제공할 때)를 수용할 수 있게 되었다. 또한 게이트 드라이버 블록이 고전력 FET에 추가되었다. 어떤 디바이스들은 고전력 FET에 게이트 드라이버를 통합함으로써 보다 높은 전력의 외부적 FET(e.g. TPS65982)을 구동할 수 있다. 또 어떤 디바이스는 게이트 드라이버만 통합하거나, 둘 다 통합하지 않은 제품도 있다.

이 블록 다이어그램에서 ESD 보호에 대해서는 아직까지 살펴보지 않았지만 ESD 보호가 채널 수가 더 많은 것을 빼고는 타입-C가 아닌 여느 USB 시스템하고 별반 차이가 없다. 다만 한 가지 예외는 VBUS 단락 보호이다. 타입-C 커넥터는 기존 USB 커넥터들에 비해서 핀 밀도가 높다. 이 때문에 VBUS 가 인접 핀으로 단락되는 일이 발생하기 쉽다(부록 참조). VBUS가 최대 20V까지 될 수 있으므로 20V와 5V 라인(SBU, CC 등등) 사이에 단락이 발생될 수 있다. 이러한 재난적 상황이 발생되지 않도록 하기 위해서 텍사스 인스트루먼트는 단일칩 보호 IC인 TPD8S300을 제공한다.


그림 8: PD를 사용한 타입-C DRP/DRD USB 2.0 블록 다이어그램. *VCONN은 선택적이다.

다른 두 새로운 블록은 PD PHY와 PD 매니저이다. 이 두 블록이 결합적으로 동작해서 CC 라인을 통해서 데이터 패킷을 전송함으로써 DFP와 UFP 사이에 통신이 가능하다. 이 통신을 통해서 소스는 자신이 어떤 전력 레벨들을 지원할 수 있는지 광고(advertise)할 수 있고 싱크는 지원되는 전력 레벨을 요청할 수 있다. 전력 레벨에 대해서 합의를 보았다면 그에 따른 전압과 전류 레벨을 조절한다.

또 한 가지 중요한 점은, PD 매니저와 PD PHY 사이의 역할 차이를 구분해야 한다는 것이다. 왜냐하면 몇몇 타입-C 디바이스들이 하나만 포함 할 수도 있고 안포함 할 수도 있기 때문이다. 예를 들어서 MSP430G2xx4/5는 PD 매니저로 동작할 수는 있으나 PD PHY는 포함하지 않는다. PD PHY의 하는 일은 CC 라인을 구동하는 것인데 자체적인 지능은 갖지않는다.

PD 매니저는 “뇌”에 해당되며, PD 협상을 지원하고 PHY를 제어하기 위한 복잡한 상태의기계를 포함한다. (PD 매니저는 얼터네이트 모드 협상도 한다. 이에 대해서는 뒤에서 자세히 설명하겠다.) 그러기 위해서 PD 매니저가 PHY에게 어느 패킷을 전송할지를 알려준다. 예를 들면 advertise power level, request power level, acknowledge channel power level 같은 것이다. 하지만 이것은 설명의 편의를 위해서 극단적으로 단순화한 것으로서 실제는 훨씬 복잡하다[5].

골자를 말하자면, 만약 PD를 필요로 한다면 PD PHY와 PD 매니저가 필요하다는 것이다. PD PHY와 PD 매니저는, PD 매니저와 PD PHY를 통합한 솔루션을 사용하고 PD 매니저는 마이크로컨트롤러로 구현하고 타입-C 포트 컨트롤러(TCPC)와 함께 별도의 PHY로 사용하거나, 아니면 두개 모두를 각기 디스크리트 소자를 사용해서 구현한다.
PD를 사용하는 DFP 애플리케이션 용으로 텍사스 인스트루먼트는 TPS25740A를 제공한다. 이 제품은 VBUS FET에 대한 게이트 드라이버, 과전류 및 과전압 모니터링, CC 로직, PD 매니저, PD PHY를 포함하는 소스컨트롤러이다. 이 디바이스는 5V, 9V, 15V를 광고할 수 있다. 또한 텍사스 인스트루먼트는 UFP, DRP, DRD PD 애플리케이션 용의 솔루션을 개발중에있다.


그림 9: 타입-C USB 3.1 블록 다이어그램. *VCONN 스위치는 선택적이다.

USB 3.1 Gen 1(SuperSpeed) 및 Gen 2(SuperSpeed+)
480Mbps 이상의 전송 속도를 필요로 하는 애플리케이션은 USB 3.1 Gen 1(SuperSpeed)이나 Gen 2(SuperSpeed+)를 사용해야 한다. 앞서도 언급했듯이 SuperSpeed는 최대 5Gbps의 데이터 전송 속도를 지원하고, SuperSpeed+는 최대 10Gbps를 지원한다. 그런데 타입-C 애플리케이션으로 이와 같은 높은 전송 속도를 가능하게 하려면 그림 9에서 보는 것처럼 USB 3.1 PIPE PHY(PCI Express[PCIe], SATA(serial advanced technology attachment), USB 아키텍처 용의 PHY 인터페이스)와 USB 3.1을 지원하는 양방향 차동 스위치를 포함해야 한다.

USB 3.1 PIPE 호환 PHY가 필요한 것은 MAC(media access control), OSI(open systems interconnection) 모델 층, 물리적 매체 사이에 브리지를 제공하기 위해서다. 예를 들어서 텍사스 인스트루먼트의 TUSB1310A는 PIPE 호환 USB 3.0 PHY 트랜시버로서 최대 5Gbps의 데이터 속도를 지원한다.
양방향 차동 스위치는 멀티플렉서(먹스)와 디멀티플렉서(디먹스) 모드로 동작한다. USB 2.0 데이터와 달리 먹스/디먹스는 선택적인 것이 아니고 모든 애플리케이션에 필수적이다. 다만 호스트로(암 리셉터클) 직접 연결되는 USB 타입-C 플러그는 예외이다.

그러한 예로는 USB 타입-C 플러그를 통합한 USB 3.1 플래시 드라이브를 들 수 있다. 이 유형의 애플리케이션에서는 USB 3.1 데이터 버스가 설계적으로 고정적이다(그림 10). 그러므로 타입-C 호스트 측에서 보자면 두 가지 가능한 연결 상태만 존재한다.

그림 10은 호스트를 보여주는 것으로서, 호스트가 USB 3.1 먹스/디먹스로 하여금 USB 3.1 신호 한 쌍을 루팅(route)하도록 해야 한다. 타입-C 케이블은 CC 와이어가 USB 3.1 신호 한 쌍과 맞물리도록 배선한다. 그러면 호스트가 리셉터클에서 어느 CC 핀(CC1/CC2)이 종단되었는지에 따라서 스위치를 구성한다.

타입-C 리셉터클을 포함하는 모든 USB 3.1 애플리케이션은 USB 3.1 스위치를 포함해야 한다. 그 이유는 타입-C 케이블을 사용해서 2개 타입-C 리셉터클을 연결하면 케이블 방향과 꼬임이 고정되지 않기 때문이다. 그러므로 타입-C 호스트나 디바이스 측면에서 보았을 때 4가지 가능한 연결 상태가 존재한다. 그림 11은 이러한 가능한 상태들을 보여준다.

애플리케이션이 DFP를 위한 것인지 UFP를 위한 것인지는 중요한 문제가 아니다. 타입-C 리셉터클을 포함할 때는 트랜시버(TX) 및 리시버(RX) 신호 쌍을 루팅하기 위해서는 USB 3.1 스위치가 필요하다. 텍사스 인스트루먼트의 HD3SS3212는 먹스 또는 디먹스 구성으로 구성할 수 있는 양방향 수동 스위치 제품으로서, USB 3.1 Gen 1 및 Gen 2를 지원하는 USB 타입-C 애플리케이션에서 사용한다.


그림 10: 타입-C 호스트로 직접 연결하는 타입-C 플러그의 USB 3.1 데이터 버스 연결.
(출처: USB 타입-C 사양 v1.2 그림 4-4)


그림 11: 타입-C 리셉터클을 타입-C 리셉터클로 연결할 때의 USB 3.1 데이터 버스 연결
(출처: USB 타입-C 사양 v1.2의 그림 4-3)

어떤 고속 인터페이스나 마찬가지로 일부 USB 3.1 애플리케이션은 신호 무결성을 유지하기 위해서 신호 컨디셔닝을 필요로 할 수 있다. 이러한 요구를 충족시키기 위해 텍사스 인스트루먼트는 TUSB542를 제공한다. 이 디바이스는 송신 및 수신 데이터 경로 양쪽으로 신호 무결성을 유지 위해 USB 3.1 Gen 1 먹스/디먹스와 리시버 균등화 및 트랜스미터 디엠퍼시스를 포함한다. 물론 신호 컨디셔닝은 선택적이다.

PD를 사용하는 USB 3.1 애플리케이션용으로, TPS65982/6과 HD3SS3212가 합쳐져 PD 매니저 및 PHY, 20V/3A FET, CC 로직, SuperSpeed 먹스를 포함하는 포괄적인 솔루션도 제공한다.

얼터네이트 모드(Alternate Mode)
USB 타입-C의 중요한 장점은 컨슈머 기기(HDMI, DisplayPort/Thunderbolt™, 파워 배럴, USB 타입-A/B 등) 에 거의 각각 필요했던 케이블을 대체할 수 있다는 것이다. 이렇게 하기 위해서 타입-C는 USB 3.0으로 제공되는 것 외에 추가적인 기능이 필요했다. 그리하여 얼터네이트 모드가 정의되었다. 얼터네이트 모드를 사용하면 USB 타입-C 핀들(TX/RX 쌍과 SBU)을 다른 용도로 전용할 수 있다[6]. 현재로서는 얼터네이트 모드를 주로 비디오 분야에서 많이 사용하고 있다. HDMI(MHL 얼터네이트 모드를 통해서)와 DisplayPort/Thunderbolt 얼터네이트 모드는 이미 발표되었다. 그럼으로써 타입-C 케이블을 통해서 4K 비디오를 전송할 수 있는 것은 얼터네이트 모드를 사용했기 때문에 가능한 것이다. USB Implementers Forum에서는 어떠한 얼터네이트 모드이든 자신들의 승인 및 인증 받는 것을 요구한다. 그림 12는 얼터네이트 모드를 지원하기 위해서 필요한 2개의 새로운 블록을 보여준다.

첫 번째 새로운 블록은 얼터네이트 모드 PHY이다. 예를 들어서 DisplayPort라면 (GPU로부터) DisplayPort 소스가 필요하다. 두 번째 블록은 얼터네이트 모드 먹스이다. 타입-C USB 3.0 시스템의 경우에는 여러 가지 케이블 방향을 지원하기 위해서 SuperSpeed 먹스가 필요하다. 얼터네이트 모드는 얼터네이트 모드 PHY로 스위칭을 지원하면서 또 여러 다른 케이블 방향을 지원할 수 있어야 한다. 이러한 기능들은 흔히 이 용도로 단일 먹스를 통합한다. 이러한 제품이 HD3SS460 SuperSpeed/얼터네이트 모드 먹스이다.
얼터네이트 모드에 필요한 다른 두 중요한 블록은 PD PHY와 PD 매니저이다. 그러므로 PD와 얼터네이트 모드를 동시에 지원할 수 있다(예를 들어서 HDMI 비디오를 받아들이면서 동시에 랩톱에 연결되었을 때 충전 가능한 모니터 같은 경우이다).


그림 12: 타입-C 얼터네이트 모드 블록 다이어그램. * VCONN 스위치는 선택적이다.

그런데 얼터네이트 모드를 지원하기 위해서는 PD 전력 레벨이 필요하지 않더라도 시스템에서 PD PHY 및 PD 매니저는 포함되어야 한다. 왜냐하면 얼터네이트 모드는 PD와 같은 식으로 CC 라인을 통해서 VDM(vendor-defined message)을 사용하여 (“PD를 사용하는 타입-C DRP/DRD USB 2.0” 부분 참조) 협상을 하기 때문이다. PD PHY와 PD 매니저가 없다면 시스템이 얼터네이트 모드를 광고하고 합의를 보는 것이 불가능할 것이다.

얼터네이트 모드와 관련해서 마지막으로 살펴볼 것은, 호환되지 않는 연결을 어떻게 처리하느냐이다. 예를 들어서 사용자가 USB 타입-C 모니터로 USB 타입-C 랩톱을 연결한다고 가정했을 때 이 랩톱은 2개의 타입-C 포트를 가지고 있다. 한 포트는 USB 3.1 속도로 DisplayPort를 얼터네이트 모드로 사용해서 PD를 지원한다. 또 다른 포트는 타입-C를 통해서 USB 2.0만을 지원한다. 이러한 경우에 이 모니터가 얼터네이트 모드 작동하기 위해서는 DisplayPort 같은 비디오가 필요하다. 사용자가 이 모니터를 USB 2.0 타입-C 포트로 연결하면 이 모니터는 작동하지 않을 것이다.

얼터네이트 모드 협상에 실패했을 때는 다음과 같은 두 가지 옵션으로 해결 가능하다.

  1. 얼터네이트 모드를 사용하지 않고 USB 기능을 지원한다(사용자 경험 측면에서 권장).
  2. D+/D- 라인을 통해서 USB 빌보드를 제공함으로써 디바이스를 식별하는 데 필요한 정보를 통신한다. 이 모니터의 경우에는, USB 2.0 타입-C 포트가 DisplayPort를 지원할 수 없다는 것을 알았으면 빌보드를 제공해서 운영체제(OS)에게 자신이 동작하기 위해서 DisplayPort를 필요로 한다는 것을 알려준다. 그러면 OS는 사용자에게 DisplayPort를 지원하는 랩톱 상의 다른 USB 타입-C 포트를 사용하라고 알려준다[7].

얼터네이트 모드, PD, USB 3.1을 모두 지원하는 포괄적 기능의 시스템은 아주 강력하기는 하지만 그만큼 복잡하다. 텍사스 인스트루먼트는 바로 이와 같은 요구를 충족하는 솔루션들을 제공한다. TPS65982는 PD 매니저와 PHY, 20V/3A FET, CC 로직을 통합하며 HD3SS460 같은 외부적 SuperSpeed/얼터네이트 모드 먹스를 제어한다.

부록: 타입-C 핀아웃 및 리버서블 특성
USB 타입-C 커넥터는 USB 타입-A 및 타입-B 커넥터와 비교했을 때 다수의 새로운 핀을 포함한다. 이러한 핀들은 더 높은 전력, 얼터네이트 모드, 리버서블 같은 추가적인 타입-C의 특성들을 제공하기 위한 것이다. 그림 13은 이러한 것들을 이해하기 위한 핀아웃 과정을 보여준다.

그림 13을 왼쪽에서부터 오른쪽으로 살펴보면 다음과 같다:

  • GND: 신호의 리턴 경로
  • TX/RX: USB 3.1 데이터(5~10Gbps)의 SuperSpeed 꼬임쌍
  • VBUS: 메인 시스템 버스(5V부터 20V까지)
  • CC1/CC2: 케이블 검출, 방향, 전류 광고에 사용되는 채널 구성 라인(“PD를 사용하지 않는 타입-C UFP USB 2.0” 참조). PD를 사용하면 CC 라인으로 더 높은 전력 레벨과 얼터네이트 모드를 통신하는 것도 가능하다(“PD를 사용하는 타입-C DRP/DRD USB 2.0” 참조). CC 라인 중의 하나는 VCONN이 될 수 있다(“PD를 사용하지 않는 타입-C DFP USB 2.0” 참조).
  • SBU1/SBU2: 측대역 사용(sideband use) 라인. 이들 라인은 얼터네이트 모드와 액세서리 모드에만 사용되는 저속 라인들이다. 예를 들어서 DisplayPort의 경우에는 SBU 라인들을 통해서 AUX+/AUX-를 전송한다. 또한 오디오 어댑터 액세서리 모드의 경우에는 이들 라인을 마이크로폰(mic) 입력과 아날로그 접지(GND)에 사용한다.
  • D+/D-: USB 2.0 데이터의 고속 꼬임 쌍(최대 480Mbps).


그림 13: 타입-C 리셉터클의 핀아웃

타입-C 커넥터의 특징은 핀들이 거의 대칭적이라는 것이다(수직수평 둘 다). 바로 그렇기 때문에 커넥터가 리버서블하다. 그러므로 커넥터를 어느 방향으로나 꽂을 수 있다. 하지만 이러한 리버서블한 특성은 수동적으로는 구현 될 수 없다. 그러므로 이를 위해서 추가적인 전자 장치들이 필요하다. 그림 14는 타입-C 리셉터클(위)과 타입-C 플러그(아래)로서 서로 맞물리게 꽂으면 일치된다는 것을 알 수 있다. 그러면 핀아웃을 살펴보자. (맞물리게 꽂아서 연결한다고 했을 때)

  • GND와 VBUS 라인은 같은 포지션이다.

  • D+와 D- 쌍 역시 같은 위치이지만, 플러그는 하나의 D+/D- 꼬임쌍만 포함한다. USB 타입-C 규격의 리셉터클 에서는 D+/D- 라인들을 쇼트 시킬 수 있도록 허용하고 있다(D+는 D+로 및 D-는 D-로).

  • CC1과 CC2 라인은 뒤집힐 수 있고 이에 따라서 케이블 방향이 결정된다. 이 방향에 따라서 어떤 CC 라인은 연결되고 또 나머지는 개방 상태로 있게 된다. (“PD를 사용하지 않는 타입-C UFP USB 2.0” 부분 참조).

  • TX/RX 쌍 역시 뒤집힐 수 있다. 이것을 설명하기는 좀더 복잡하다. D+/D- 라인과 달리 이들 라인을 쇼트시킬수는 없다. 그러면 스터브(stub)를 형성하기 때문이다. USB 2.0 속도에서는 스터브가 허용 가능하다. 하지만 USB 3.1 속도에서는 신호 무결성을 심하게 저하된다. 그러므로 이를 방지하기 위해서는 다음과 같은 두 가지 옵션이 가능하다.

    1. 2개의 PHY를 사용하고 케이블 방향 검출을 사용해서 어느 PHY를 사용할지 안다.
    2. 단일의 PHY를 사용하면서 SuperSpeed 먹스를 사용해서 이 PHY로 (방향이 주어지는 것에 따라서) 적절한 SuperSpeed 라인을 스위칭 한다. 이 방법이 통상적으로 더 경제적인 솔루션이다(“USB 3.1 SuperSpeed 및 SuperSpeed+” 참조).

  • SBU 라인들 역시 뒤집힐 수 있다.
  • 이들 라인은 얼터네이트 모드 PHY 안에서 처리된다(이 라인들은 저속 라인들이다).


그림 14: 타입-C 핀아웃. 리셉터클(위)과 플러그(아래)

맺음말
타입-C가 언뜻 보기에는 아주 복잡한 것처럼 보이지만, 이 글에서 살펴본 모든 이점들을 생각했을 때 초반에 인지한 학습 곡선은 그럴 만한 가치가 있다. 이 글에서 타입-C의 기본 개념, 용어, 요구사항을 살펴봤으므로 자신의 다음 설계에 타입-C를 포함시키기 위해서 무엇이 필요한지 알 수 있을 것이다. 타입-C로 전환하고자 하는 사용자들에게 큰 도움이 될 수 있기를 바라며, 텍사스 인스트루먼트는 여러 다양한 유형의 타입-C 애플리케이션 솔루션을 제공한다.

참고 문헌
1. USB 타입-C 사양 v1.2 for standard values of Rp and Rd, Tables 4-15 and 4-16
2. USB 타입-C 사양 v1.2, section 4.6.2.1
3. USB 타입-C 사양 v1.2, VBUS and VCONN Timing Parameters, Table 4-20
4. USB 타입-C 사양 v1.2, USB 타입-C Source Port’s VCONN Requirements Summary, Table 4-3
5. Deric Waters, 타입-C Port Controller (TCPC) for USB-C Power Delivery, USB Developers Days 2015
6. USB 타입-C 사양 v1.2, Figure 5-1
7. USB 타입-C 사양 v1.2, Section 5.1

추가 정보
1. Universal Serial Bus 타입-C Cable and Connector Specification, Revision 1.2, March 25, 2016
2. Universal Serial Bus Power Delivery Specification, Revision 3.0, V1.0a, March 25, 2016
3. USB 타입-C Version 1.2 – USB Embraces a Broader Market, Deric Waters, August 4, 2016
4. 타입-C Port Controller (TCPC) for USB-C Power Delivery, Deric Waters, November 17-18, 2015

관련 제품 데이터 시트
TUSB320, TUSB542, TUSB1210, TUSB1310A, TPD8S300, TPS25740A, TPS65983, TPS65982, HD3SS460, HD3SS3212.

2017년