[테크월드=선연수 기자]
USB는 유연하면서도 경제성이 뛰어난 커넥티비티를 제공한다. 이 기술을 산업용 환경에서 사용하기 위해서는 몇 가지 과제들을 해결해야 한다. 이 글에서는 산업용 애플리케이션으로 USB를 구현하는 방법과 USB 2.0, 3.0, 타입-C를 활용하는 방법에 대해 설명한다.
USB의 진화
USB는 지난 20년 동안 PC 분야에서 다양하게 사용돼 왔으며, 현재는 산업용 커넥티비티에서 큰 변화를 맞이하고 있다. 직사각형 타입-A 소켓은 데스크톱이나 랩톱 컴퓨터와 같은 호스트 디바이스에 많이 사용되고, 정사각형에 가까운 타입-B 소켓은 프린터, 스캐너, 테스트 장비와 같이 크기가 큰 주변장치 기기에 많이 사용된다. 마우스나 플래시 드라이브 같은 소형 주변장치는 타입-A 플러그를 이용해 호스트와 연결하며, 큰 주변장치를 호스트로 연결하기 위해서는 타입-B 대 타입-A 케이블을 주로 사용한다.
타입-A와 타입-B 커넥터는 점점 산업용 애플리케이션으로 많이 사용되고 있다. 이는 설계가 용이하고 대량 생산에 적합하기 때문이며, 이전에는 직렬 케이블을 사용하던 곳이나 무선 모듈, 추가적인 메모리를 연결하기 위한 용도로 이들 커넥터를 간편하게 활용할 수 있었다. 또한, 진단을 위한 포트를 제공하거나 메모리 스틱을 사용해 펌웨어를 업그레이드할 수도 있다.
이런 커넥터들로 USB 2, USB 3 Full Speed와 SuperSpeed 프로토콜을 사용해 480Mb/s를 거쳐 5Gb/s까지 진화해 왔으며, 임베디드 PCB의 표준 커넥터로 자리 잡게 되면서 산업용 장비 디자인으로 많이 사용되고 있다.
최근 24핀 타입-C 커넥터와 새로운 프로토콜로서 USB 3.1이 등장함에 따라 USB 시장엔 또 한 번의 변화가 일어나고 있다. 타입-C 커넥터는 리버서블(Reversible)한 특성을 가져 위아래 방향에 관계없이 케이블을 꽂을 수 있으며, 100W에 이르는 높은 전력 정격을 지원한다. 또한, 3.1 프로토콜은 인식 기능과 함께 최대 10Gb/s의 데이터 속도를 제공한다.
USB 타입-C
USB 타입-C로 인해 산업용이나 의료용 디스플레이가 전원과 데이터를 모두 제공하는 허브 역할을 하는 새로운 애플리케이션이 등장하게 됐다[그림 1]. USB 타입-C 케이블이 고전력 주변장치들을 지원하면서, I2C(Inter-Integrated Circuit)와 같은 일련의 다른 프로토콜들을 통해 고속 데이터를 함께 제공할 수 있게 되고, 따라서 시스템 디자이너들은 데이터를 훨씬 더 유연하게 이동시킬 수 있다.
USB 타입-C 커넥터가 PC 메인보드의 표준으로 자리 잡으면서, 산업용 애플리케이션의 단일 보드 컴퓨터와 함께 산업용 디자이너들에게도 동일한 이점을 제공할 것이다. 또한, 커넥터와 프로토콜의 개선을 통해 더 높은 속도를 지원함으로써 머신 비전 애플리케이션으로 HD 비디오 스트림을 손쉽게 전송할 것으로 기대된다.
커넥터 업체들은 높은 전력을 처리하고 산업용으로 사용하기에 충분히 견고한 타입-C 커넥터 제품을 선보이고 있으며, 반도체 회사들은 이런 커넥터를 통해 집어넣을 수 있는 작은 크기의 USB와 전원 컨트롤러 제품을 출시하고 있다. 타입-C 커넥터 디자인에서 핵심적인 요소는 USB PD 규격으로, 단일 케이블을 통해 유연하게 전력을 공급함으로써 USB의 기능성을 극대화한다.
기존 USB 표준과 비교해 최대 100W로 전력 레벨을 높이고 양방향으로 전력을 공급할 수 있어, 호스트든 주변장치든 전력을 가진 디바이스는 다른 디바이스에 전력을 제공할 수 있다. 이 프로토콜은 각 디바이스가 요구하는 전력만을 제공하거나, 혹은 애플리케이션에 따라 더 많은 전력을 제공할 수도 있다. 단지 커넥터에 대해서만 정의하는 것이 아니기에, PD 규격을 사용해 I2C 인터페이스를 추가할 수도 있다.
전송 인터페이스(Transport Interface) 규격은 I2C나 주변장치 인터페이스를 통해 사용하기 위한 통신 프로토콜을 정의한다. USB PD 규격에서 정의하는 구조를 사용하면서 이를 다른 버스에 사용하도록 확장하고 있다. 예를 들어, 이 규격을 사용해 USB PD 컨트롤러와 시스템 컨트롤러 간 표준화된 통신 프로토콜을 지원할 뿐만 아니라 DC-DC 컨버터와 같은 전원 관리 주변장치를 통해 제어할 수 있다.
이 기술은 다양한 형태로 구현될 수 있다.
리버서블 커넥티비티
TE 커넥티비티의 USB 타입-C 커넥터는 작은 크기로 최대 10Gb/s의 데이터 속도, 최대 100W 전력, 오디오/비디오 입력을 지원한다[그림 2].
이 USB 타입-C 커넥터는 리버서블 메이팅(Mating) 인터페이스를 제공해, 소켓은 플러그의 방향에 관계없이 수용할 수 있으며 손쉽게 신뢰할 수 있는 메이팅을 할 수 있다. 커넥터는 다양한 프로토콜을 지원하고, 어댑터로 단일 USB 타입-C 포트를 통해 HDMI, VGA, 디스플레이포트(DisplayPort) 등의 역호환을 지원한다. 스테인리스스틸 쉘 뒷면 특유의 EMI 디자인은 원치 않는 EMI 누출을 방지하며, 극한의 산업용 환경에서의 원활한 작동을 돕는다.
커넥터를 어느 방향으로든 연결할 수 있어 Vconn 핀을 통한 연결 인식 기능이 추가되고 있다. 커넥터 방향을 판단하고, 고전력 핀들과 함께 업스트림과 다운스트림 포트(UFP와 DFP)로 사용할 핀들을 결정한다. 이때 일부 핀들은 미리 전원이 들어와 있어야 한다.
이 커넥터는 USB 2.0(480Mbps), USB 3.1 Gen 1(5Gbps), USB 3.1 Gen 2(10Gbps)를 지원하며, -30~85도 온도 범위 내의 공장 자동화, 산업용 장비, 의료용 장비, 전원 팩과 충전기, 자동차 인포테인먼트 시스템에 적합하다. 전압 정격은 30V, 전류 정격은 Vbus 핀으로 5A, 접지 핀으로 6.25A, Vconn 핀으로 1.25A다. 신호 핀들은 0.25A의 최대 전류를 지원한다.
커넥터 쉘을 이용한 기능 통합
암페놀(Amphenol)은 USB가 제한적인 전력만을 제공할 수 있던 데이터 인터페이스에서, 데이터와 함께 상당한 전력을 제공하는 인터페이스로 진화하는 과정을 지켜봐왔다. [그림 3]에서 보는 사이프레스(Cypress Semiconductor)의 컨트롤러와 같은 최신 반도체 디바이스를 사용해, 커넥터 쉘로 이런 추가적인 기능들을 통합할 수 있다.
페어차일드(Fairchild Semiconductor)의 FUSB301ATMX 디바이스는 USB 타입-C 제어용으로, 유연한 씬 클라이언트 솔루션이다. USB PD 전력 기능 없이 USB 타입-C 커넥터의 DFP와 UFP를 구현하고자 하는 시스템 디자이너들에게 적합하다. I2C 연결로 다중 플랫폼을 지원할 수 있는 소프트웨어 유연성을 제공한다. FUSB301은 VBUS 임계값 검출과 다양한 충전 전류 레벨을 사용해 USB 타입-C의 연결 여부와 연결 방향을 감지한다.
일부 칩 회사들은 더욱 다양한 프로세싱 기능을 통합하고 있다. 사이프레스의 CCG2는 타입-C 커넥터 용으로 사이프레스의 2세대 컨트롤러 제품이다. 48MHz ARM Cortex-M0 32비트 프로세서 코어를 채택하고 삽입 시에 핀들의 Vconn 검출을 위한 별도의 블록을 포함하며, 트랜시버, 종단 저항, ±8kV 시스템 차원 정전기 방전 보호를 특징으로 한다. QFN 패키지로 14개 GPIO 핀, 좀 더 작은 DFN 패키지로 7개 GPIO, 3.3mm2에 불과한 칩 스케일 WLCSP 패키지로 9개 GPIO를 제공한다. 수동 EMCA(Electronically Marked Cable Assembly) 케이블, 능동 EMCA 케이블, USB 타입-C 노트북, 전원 어댑터, 모니터, 도크, 동글 같은 케이블 어댑터 용으로 포괄적인 솔루션을 제공한다.
또한 시스템온칩 제품은 타이머, 카운터, 펄스 폭 변조기를 포함하고, 2개 직렬 통신 블록(SCB)을 I2C, SPI, UART 모드로 구성해 PC 전력 규격을 확장할 수 있다.
USB PD 지원
TI(Texas Instruments)의 TPS65982 또한 타입-C 디바이스용 제품이다. 이 단일 칩 컨트롤러는 USB PD 컨트롤러, 케이블 플러그와 방향 인식 회로, 포트 전력 스위치, 포트 데이터 다중화기, 전력 관리 회로, 디지털 코어 총 6개 부분으로 구성된다.
USB PD 컨트롤러는 USB PD 프로토콜의 물리층(PHY) 기능을 지원하며, 커넥터 방향에 따라 C_CC1 핀이나 C_CC2 핀을 통한 데이터 출력을 제공한다. 케이블 플러그와 방향 인식 아날로그 회로는 USB 타입-C 케이블 플러그 삽입과 케이블 방향을 자동으로 감지한다.
케이블이 감지되면 CC 와이어를 통해 USB PD 프로토콜로 통신한다. 케이블 감지와 USB PD 협상이 완료되면, 해당 전력 경로를 실행시키고 내부·선택적 외부 다중화기를 위해 얼터네이트 모드를 설정한다.
CC 핀들의 혼성신호 프론트엔드는 디폴트로서, 500mA와 선택적으로 1.5A, 3A를 공급하는 것으로 알려져 있다. 플러그를 삽입·제거하는 것을 감지하고 USB 타입-C 케이블 방향을 판단한 후, 지정된 BMC(Bi-phase Marked Coding) 프로토콜을 통해 자율적으로 USB PD 계약을 협상한다. 이는 자체 클로킹 방식으로 이뤄지며, 동기 데이터와 비동기 데이터 둘 다 처리할 수 있으며 위상 반전에 기반해 비트를 식별한다. 포트 전력 스위치는 기존 타입-A, B 커넥터와 타입-C 전력 연결 용으로, 5V 다운스트림으로 최대 3A를 제공한다. 추가적인 양방향 스위치 경로는 호스트에서 소스로, 엔드 디바이스에서 싱크로, 또는 소스-싱크 둘 다로 최대 20V, 최대 3A의 USB PD 전력을 제공할 수 있다.
포트 데이터 다중화기는 USB 2.0 HS 용으로 포트에서 맨 위 또는 맨 아래 D+/D- 신호 쌍으로 데이터를 전달하며, USB 2.0 Low Speed 엔드포인트를 지원한다. 동일 커넥터 내에서 디스플레이포트나 선더볼트(Thunderbolt)와 같은 다른 연결 프로토콜용으로 SBU(Sideband-Use) 신호 쌍을 사용한다. 전력 관리 회로는 배터리가 고갈되거나 배터리가 연결되지 않았을 때 VBUS를 사용해 스타트업한 후 전력을 협상한다.
디지털 코어는 모든 USB PD 패킷을 수신·처리·전송할 뿐만 아니라 TPS65982의 다른 모든 기능을 제어하는 엔진 역할을 수행한다. 디지털 코어의 한 부분은 비휘발성 메모리에 부트 코드(Boot code)를 담고 있다. 이를 사용해 디바이스를 초기화하고 애플리케이션 코드를 디지털 코어의 휘발성 메모리로 로드 할 수 있다. 아날로그-디지털 컨버터(ADC)로부터 제공된 정보를 활용해, 범용 입력 상태와 트리거 이벤트를 읽고 범용 출력을 제어한다. 범용 출력은 1.8V나 3.3V 레일로 연결된 풀업 저항 또는 풀다운 저항을 사용해, 푸쉬-풀이나 개방 드레인으로 구성할 수 있다.
맺음말
USB 타입-A, B 커넥터와 USB 2.0, 3.0 프로토콜이 산업용과 의료용 장비에 많이 사용되는 것처럼, 타입-C와 USB 3.1도 나름의 이점들로 인해 애플리케이션으로 활용될 수 있다. 커넥터를 리버서블하게 만들기 위해서는 좀 더 복잡한 핀 인식과 할당이 필요하지만, 실리콘 컨트롤러가 향상됨에 따라 새로운 커넥터 쉘로 보다 쉽게 구현할 수 있다.
더 높은 데이터 속도 역시 변화를 이끌어낼 만큼 매력적인 요인이 아니더라도, 더 높은 해상도의 디스플레이를 장비로 추가할 수 있다. 따라서 사용자 인터페이스를 더 효과적으로 구성할 수 있으며, 머신 비전으로 새로운 애플리케이션을 만들 수 있다.
타입-C 커넥터는 더 높은 전력을 제공할 수 있어, 새로운 산업용 장비 제작에 도움될 것이다. 디스플레이를 USB 허브로 사용함으로써, 개발자들은 전력 공급·관리에 상관없이 더 높은 전력과 성능을 요구하는 새로운 주변장치들을 손쉽게 추가할 수 있다. 이로 인해 시스템 설계의 복잡성을 크게 낮추고 비용을 절감하며 개발 시간까지 단축할 수 있다.
글: 마크 패트릭(Mark Patrick)
자료제공: 마우저 일렉트로닉스
그래도 삭제하시겠습니까?