타이코
'수퍼스피드(SuperSpeed) USB'라고도 불리는 새로운USB 3.0 프로토콜은 보다 빠른 데이터 전송률을 제공하고 각 포트 별로 더 높은 수준의 전류를 지원하여 전원 공급 능력을 향상시킬 수 있도록 설계되었다. 이 프로토콜은 새로운 전력 관리 사양을 제공할 뿐만 아니라 이전 프로토콜인 USB 2.0규격과도 호환되는 새로운 케이블과 커넥터를 제공한다. 가장 두드러진 변화는 그림 1에서와 같이 4개의 물리적 구리 데이터 라인이 기존 USB 2.0 버스에 병렬로 새롭게 추가되었다는 점이다. 새롭게 추가된 구리 데이터 라인은 수퍼-스피드 데이터 전송에 사용되지만, ESD(Electrostatic Discharge)나 시스템에 해를 줄 수 있는 과도 전압도 이를 통해 전달될 수 있다.
글: 케다르 바타와데카르(Kedar Bhatawadekar)
타이코 일렉트로닉스 레이켐(Raychem) 회로 보호 제품부
기술 마케팅 및 제품 애플리케이션 엔지니어
www.tycoelectronics.com
USB 3.0규격에서 전류 및 전력의 전송 능력이 증가되면서 이에 대응하는 새로운 회로보호 솔루션이 필요하게 되었다. 보호소자의 조합으로 USB 3.0 애플리케이션을 과전류, 과전압 및 ESD 과도현상으로부터 보호할 수 있다.
과전류 보호
USB 3.0규격은 표준 호스트(A-타입 커넥터)와 새로운 타입의 전력공급 디바이스(Powered-B 타입 커넥터) 두 개의 부품을 통해 전력을 공급한다. 이 새로운 수퍼스피드 사양은 USB 디바이스에 흐르는 총 전류를 0.5A에서 0.9A로 증가시켰다. 새로운 Powered -B 타입 커넥터는1.0A까지의 전류를 공급하여 하나의 USB 디바이스가 다른 디바이스를 충전할 수 있도록 한다. 과전류 문제는 전력 버스에 영향을 미칠 수 있으므로, 과전류 보호는 모든 전력 소스(예: 호스트, 허브, Powered-B 디바이스)에 필수 사항이다. 또한 과전류 보호기능은 UL60950의 요구 사항이다.
USB 2.0과 유사하게 모든 타입의 USB 3.0 호스트는 필히 전력 공급기능을 제공해야 한다. USB 3.0의 싱글-유닛 로드는USB 2.0 규격이 제공하는 100mA보다 증가된 150mA를 제공하도록 규격이 재정립 되었다. USB 3.0 호스트는 이제 포트 당 6 유닛(900mA) 까지 지원 가능해야 한다. 또한, USB 3.0 허브는 더 이상 전력을 공급받지 않는다. 이제 모든 USB 3.0 허브는 포트 당 900mA까지 전류 제공이 가능해야 한다.
추가적으로, USB 충전 및 USB 3.0 규격을 지원 가능한 시스템은 고전류를 지원할 수 있는 과전류 보호 소자가 필요하다. USB 충전 사양은 USB 2.0규격과 같은 핀아웃(pinouts) 표준을 사용하지만, 포트 당1.5A까지의 보다 높은 전류 성능을 제공한다.
결국, USB 3.0규격은 최대의 장점인 휴대성이 강화 된 Powered -B 타입의 커넥터를 지원한다. Powered -B 타입 커넥터는 USB 케이블과 추가 전력 공급 장치가 필요 없다. Powered -B 타입 커넥터를 사용하면 USB 디바이스는 이제 다른 USB 디바이스로 전력을 공급할 수 있다. 새로운 커넥터는 2개의 추가 접점을 제공하여 전력 공급장치(Powered -B 리셉터클과 함께)로 1000mA까지 전류를 다른 디바이스(Powered -B 플러그와 함께)에 공급할 수 있다. 예를 들어, 프린터가 무선 어댑터를 동작 시킬 수 있으므로 기존의 유선 USB 연결은 없앨 수가 있는 것이다.
PPTC(Polymeric positive temperature coefficient) 소자는 모든 종류의 애플리케이션에 USB 과전류 보호에 대한 비용 효율적인 솔루션을 제공한다. PPTC 소자는 USB 3.0 호스트 애플리케이션과 USB 3.0 허브 애플리케이션, USB 충전 애플리케이션, 그리고 USB 3.0 Powered-B 타입 애플리케이션의 전류 제한에 사용할 수 있다.
USB 전력 소스의 VBUS 포트에 PPTC 폴리스위치™ 소자를 설치하면 쇼트가 발생할 때 전류를 제한하는 한편, 갑작스러운 쇼트로 인한 과전류 손상으로부터 디바이스를 보호할 수 있다. 이는 또한 표준규격인 UL60950에도 부합한다.
그림 1. USB 프로토콜에 듀얼-심플렉스(dual-simplex) 데이터 경로가 새롭게 추가된 USB 3.0
USB 전력 포트에서의 과전압 보호
USB가 전력 버스에 관한 규격을 정의하고는 있지만, 규격에 따른다고 해서 과전압 발생과 관련된 위험 요소를 완벽히 제거할 수는 없다. 과전압은 사용자의 실수, 성능이 떨어지는 전원 공급장치, 동작 중에 장치를 제거하는 경우, 유도성 과도전압 등에 의해 발생한다.
또한 인터페이스 및 충전 시스템은 보호 장치가 없는 주변기기에 손상을 초래하는 부전압(negative voltages)을 발생시킨다. USB 2.0 전력 공급장치의 전압은 5V /-5%로 명시되어 있지만, USB 2.0 인터페이스를 사용하는 대부분의 양산형 시스템은 16V에서 28V까지 견딜 수 있도록 설계되었다.
USB 3.0 규격은 정상 전류 및 최대 전류를 증가시킬 수 있기 때문에 기존 0.5A 포트에 적합하게 설계된 과전압 보호 소자는 포트당 0.9A의 전류를 제공하는 새로운 USB 3.0 사양에 적합하지 않을 수 있다. 0.9A 호스트가 연결을 끊을 때 고전압 유도 스파이크가 발생하여 버스에 남아 있는 디바이스에 악 영향을 미칠 수 있다. 적합하게 설계된 버스는 이러한 스파이크를 흡수하여 이로 인해 발생하는 현상으로부터 디바이스를 보호한다.
타이코 일렉트로닉스는 자체적으로 동작 중 접속 및 제거 시 발생하는 과도전압 테스트를 수행하였다. 그 결과, 매우 짧은 순간이지만 16V에서 24V의 전압 수준을 초과한다는 결과를 얻을 수 있었다. 이 자체 테스트를 통해서 인증 받은 서드파티 충전장치 역시 개방 회로 전압이 5V /-5%이라는 USB 규격사항을 초과한다는 것을 확인할 수 있었으며, 이는 결국 민감한 전자 장치에 심각한 위험을 초래할 수 있다는 것을 의미한다. 폴리젠(PolyZen™) 폴리머-보호 제너 다이오드 소자와 같은 과전압 보호 소자를 설치하면, 모든 USB 전력 구동 디바이스의 전력 입력 단에서, 특히 VBUS입력 단에서 과전압 현상으로 인해 발생할 수 있는 손상으로부터 디바이스를 보호할 수 있다.
USB 3.0 규격의 디바이스를 설계하는데 있어 폴리젠 소자는 USB 입력포트의 VBUS, Powered-B 타입 플러그의 DPWR포트, 배럴 잭 전력 포트, USB 허브 디바이스의 VBUS 입력 단 등에 실장할 수 있다.
USB 3.0규격이 버스 전력으로 구동되는 허브를 지원하지 않고 자가 구동 허브만 지원한다는 것은 매우 중요한 사실이다. 이제 USB 3.0 애플리케이션에서 모든 허브의 포트에 전원을 공급할 수 있는 장치가 필요하게 되었다.
만약 DC 전력 커넥터가 허브의 입력 단에 사용된다면, 회로 보호 소자는 과전압 현상, 비정상적 구동 및 부적절한 전력 공급, 역전압(reverse voltage) 및 과전압으로 발생하는 손상으로부터 허브 전자기기를 보호할 수 있다.
그림 2는 VBUS에 실장된 폴리젠 소자를 나타내며 일반적인 USB 회로에 실장된 6개의 저용량(low-capacitance) PESD 소자가 어떻게 조합된 과전압 솔루션을 제공하는지
보여준다.
ESD 보호
과도전압(overvoltage transients)은 ESD에 의해 자주 발생하며, 주로 전력 버스 및 데이터라인 상에서 발생한다. 물론 요즘의 IC들은 2000V까지 보호할 수 있지만, 인체는 25,000V에 달하는 정전기 충격을 쉽게 발생시킬 수 있다. 입출력 포트의 보호 애플리케이션에서는, 정전용량이 작고 빠르게 과도전압을 억제하며 회복이 빠른 ESD 소자가 필요하다.
현재 USB 2.0 프로토콜은 480Mbps까지의 전송속도를 제공하고 연결 즉시 설치되어 작동이 가능한 플러그앤플레이(plug-and-play) 기능 및 전원이 연결된 상태에서 장치를 연결 및 제거할 수 있는 핫스왑(hot-swap) 기능도 지원한다.
이에 비해, USB 3.0 사양은 최대 5Gbps까지의 빠른 전송속도를 제공하며, 보다 낮은 전송속도의 기존 USB 2.0 사양과도 호환된다. USB 3.0 규격은 새로운 수퍼스피드 인터페이스를 지원하기 위해 4개의 핀을 커넥터에 추가 하였다: USB3_TX와 USB3_RX가 그것이다.
USB 3.0 규격의 수퍼스피드 인터페이스는 기존 USB 2.0 규격에서 필요한 것보다 더 작은 정전용량의 ESD 보호소자를 필요로 한다. 극저정전용량 PESD 소자는 USB 3.0 규격의 아이 다이어그램(eye diagram) 요구사항을 충족할 수 있도록 삽입 손실을 최소화 할 수 있다.
정전용량이 0.2pF이고 6GHz까지 삽입손실이 거의 없으므로 PESD 소자는 USB 3.0 애플리케이션의 규격을 만족시키며 빈번히 발생하는 EDS 과도전압 문제도 해결해 준다.
대부분의 전형적인 멀티레이어 바리스터(multilayer varistor-MLV) 및 과도 전압 억제(transient voltage suppression-TVS) 다이오드 기술에 비하면, PESD 소자는 더욱 낮은 정전용량을 제공한다.
또한 로우-트리거(low-trigger) 및 로우-클램핑(low-clamping) 전압은 민감한 전자부품을 보호하는 역할을 한다.
이 소자들은 ESD 보호를 위해 USB 2.0 의 고속 D 및 D- 시그널 라인(signal line)과 USB 3.0 의 수퍼스피드 시그널 라인 모두에서 적용이 가능하다. 회로 보호 시스템에 PESD 소자를 추가하면 IEC61000-4-2의 규격인 접촉 방전 8kV(일반)/15kV(최대) 및 대기 방전 15kV(일반)/25kV(최대)를 만족시킬 수 있다.
조합된 회로 보호 소자
조합된 회로 보호 시스템은 USB 애플리케이션에서 발생하는 고전류, 고전압 및 ESD 과도전압에 대한 보호성능을 향상시킬 수 있다.
그림 3과 4는 USB 3.0 규격 및 Powered-B 커넥터 설계에 적합한 회로 보호 소자를 나타낸다.
권장 소자
PPTC 과전류 보호 소자는 개발자들이 USB 3.0 규격의 새로운 고전류 요구사항을 쉽게 충족시킬 수 있게 해주는 것은 물론, 간편하고 공간 효율적인 전류 제어 솔루션을 구현할 수 있게 해준다.
PESD 소자는 고속 데이터 전송 장치에 필요한 낮은 정전용량(일반적으로 0.2pF)을 제공하며, 전자업계에서 가장 보편적으로 사용되는 폼 팩터를 따른다. 폴리젠 소자는 개발자들에게 기존의 클램핑 다이오드(clamping diode)의 편의성을 제공함은 물론 과전압이 지속적으로 발생하는 경우에 방출되는 열을 냉각해야 하는 문제도 해결해 준다.
이 소자는 부적합한 전력 공급장치, 과도전압 및 기타 사용자가 야기한 오류 등 다양한 원인으로 인해 발생할 수 있는 회로 손상을 막아준다.
필자에 관하여:
타이코 일렉트로닉스 레이켐(Raychem) 회로 보호 제품부의 케다르 바타와데카르(Kedar Bhatawadekar) 기술 마케팅 및 제품 애플리케이션 엔지니어는 광범위한 산업분야에서 사용되는 새로운 애플리케이션에 대한 비즈니스 솔루션을 제공하고 있다. 케다르 바타와데카르는 인도 뭄바이 대학에서 전기 기술 학사 학위를 받았으며, 산호세 주립 대학에서 전기기술 석사 학위를 취득하였다.
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