최대 전력 전달: 최고 전력 용량을 갖춘 240W USB PD 레퍼런스 설계 솔루션

USB Power Delivery (PD) 표준은 계속 진화하고 있습니다. 최신 USB PD 3.2 사양은 최대 240 W (48 V, 5 A)의 전력을 공급 및 소비할 수 있습니다. 이 기사에서는 USB PD의 주요 트렌드를 논의하고, 2024년에 USB-C를 구현하는 것이 더 이상 혁신으로 간주되지 않고, 새로운 디자인과의 경쟁력을 유지하기 위한 좋은 접근 방식으로 간주되는 이유를 살펴볼 것입니다. 마지막으로, Infineon의 일차 및 이차 컨트롤러, EZ-PD™ PMG1 고전압 마이크로컨트롤러(통합 USB-C PD 포함) 및 Infineon의 CoolGaN™ 전력 트랜지스터를 사용하여 240 W를 지원하는 소스 및 싱크 솔루션의 개요를 제공합니다.  

USB는 현재 소비자 및 자동차 애플리케이션에서 널리 인정받는 표준 세트이며, 산업 및 e-모빌리티 부문으로 빠르게 확장되고 있습니다. 1996년에 처음 공식적으로 발표된 USB 1.0 개정판은 최대 1.5 Mbps의 데이터 전송 속도와 최대 2.5 W의 전력을 지원했으며, 이후 단일 USB-C 케이블을 통해 놀랍게도 80 Gbps 및 240 W를 지원하도록 발전했습니다. 그럼에도 불구하고, 최근 전시회에서 Arrow 부스를 방문한 사람들 중 약 절반이 USB 표준이 이미 240 W를 지원한다는 사실에 놀랐습니다.

USB Type-C 표준 커넥터의 세부 사항을 더 자세히 살펴보겠습니다. 이 커넥터의 큰 장점은 대칭적인 디자인 덕분에 인터페이스가 플러그 방향에 구애받지 않는다는 점입니다. 연결 방향에 상관없이 작동합니다. 이 커넥터는 최대 240W의 전력 전달을 지원하며 Alternate Mode(Alt Mode라고도 함)를 통해 HDMI, DisplayPort, Thunderbolt 등의 프로토콜을 수용할 수 있습니다. 이러한 기능들이 결합되어 산업 전반에 걸쳐 큰 영향을 미쳤습니다.

연결 핀을 보면, 그림 1에 나타난 CC1 및 CC2 핀은 케이블 구성 핀으로 알려져 있으며, 방향을 제어하고 역할을 결정하는 데 사용됩니다. 소스 전원 역할을 위한 하향 포트(DFP), 싱크 역할을 위한 상향 포트(UFP), 소스 및 싱크 역할을 모두 수행할 수 있는 듀얼 역할 포트(DRP)가 그 예입니다. CC 핀의 또 다른 기능은 소스와 싱크 간에 Power Delivery 계약을 협상할 때 데이터 전송을 촉진하는 것입니다.

USB 5 Gbps 이상의 속도를 위해 RX/TX로 라벨링된 네 개의 차동 쌍은 USB 3.1부터 사용되기 시작했습니다. 이러한 라인은 전이중 모드로 작동하며, 중앙에 위치한 D+/D-로 구성된 두 쌍의 레거시 핀은 반이중 모드로 작동합니다. SBU 또는 SideBand Use로 라벨링된 핀은 DisplayPort 또는 Thunderbolt용 비디오 출력 활성화와 같은 Alt 모드를 위해 사용됩니다. VBUS 핀은 최대 240W의 전력을 전달하는 데 사용됩니다. 네 개의 외부 접지(GND) 핀은 모두 접지 용도로 설계되었습니다. USB-C가 높은 데이터 처리 속도와 높은 전력 전달이 요구되는 경우 올바른 접지가 필수적입니다.

앞서 언급한 바와 같이 USB Power Delivery 표준에 대해 깊이 살펴보면, 초기 USB 표준 버전에서는 VBUS를 통해 최대 2.5W(5V@500mA)의 전력을 허용했습니다. USB 3.0에서는 이것이 약간 증가하여 최대 4.5W(5V@900mA)에 이르렀지만, 여전히 많은 응용 프로그램에는 충분하지 않았습니다.

2014년에 USB Type-C와 전력 전송(USB Power Delivery)이 도입되면서 USB 전력 기능이 크게 향상되었습니다. 기본적으로 USB Type-C를 통해 제공되는 최대 전력이 15 W(5 V @3 A)로 증가했습니다. USB PD를 완전히 구현함으로써 하나의 USB 소스에서 최대 100 W(20 V @5 A)를 전달하는 것이 가능해졌습니다.

USB Power Delivery 3.1부터 사양은 최대 240 W (48 V @5 A)를 지원합니다. 20 V를 초과하는 모든 전압 레벨은 이제 확장 전력 범위(EPR)로 분류됩니다. 이 사양에는 15 V 이상의 전압에 대해 100 mV 단위로 전압을 조정할 수 있는 조정 가능 전압 공급(AVS) 모드에 대한 지원도 포함되어 있습니다.

USB는 거의 30년 된 표준이지만, 속도와 전력 기능에서 가장 중요한 개선은 최근에 관찰되었습니다. 지난 8년 동안, USB-C는 노트북 및 스마트폰 제조업체와 같은 주요 기기 제조업체에 의해 채택되었습니다.

이제 대부분의 노트북이 최소 하나의 USB-C 포트를 갖추고 있습니다. 또한, 많은 다른 모바일 기기들이 USB-C로 전환되었으며, 시장에 USB-C 전원 어댑터의 눈에 띄는 증가가 있었습니다. 동시에, 자동차 제조업체들은 운전자와 승객들에게 향상된 충전 옵션을 제공하기 위해 차량 내에 더 많은 USB-C 포트를 추가했습니다. 이러한 추세를 따라, 임베디드 및 산업 부문에서의 USB-C 채택도 향후 몇 년 동안 크게 증가할 것으로 예상됩니다.

2025년 이후를 위한 비전은 현재 최대 240 W로 전력을 공급받는 많은 전자 기기가 데이터 통신 및 충전을 위한 표준 포트로 USB-C를 채택하게 될 것이라는 점입니다.

USB 채택을 더욱 촉진하는 주요 요인으로는 배터리 기술의 경쟁, 산업용 애플리케이션으로의 전환, 그리고 USB의 전 세계적인 수용 증가가 있습니다. 또한, 지역 규정도 큰 영향을 미칠 것입니다: USB Type-C와 USB PD는 2024년 말까지 유럽연합 모든 국가에서 많은 애플리케이션에 대해 의무화될 예정입니다. 비슷한 논의가 현재 미국 및 기타 국가에서도 진행 중입니다. 오늘날 이러한 트렌드를 따르는 것은 단지 최첨단 기술을 유지하는 것뿐만 아니라, 시장에서의 자리를 확보하는 중요한 경쟁 요소가 되었습니다. 그렇다면 최근 몇 년간 이러한 표준의 빠른 채택을 이끄는 기술의 주요 이점은 무엇일까요?

데이터와 전력의 결합된 기능: USB-C의 빠른 성장의 가장 중요한 원동력 중 하나는 하나의 슬림한 커넥터를 통해 고속 데이터, 영상 및 전력을 전달할 수 있는 능력입니다. 이 기능은 더 작고 얇은 기기 디자인을 가능하게 합니다.

통합 및 재사용의 장점: 기존의 전원 어댑터는 고정된 전압과 전류 수준을 가지고 있으며 종종 독특한 배럴 커넥터를 가지고 있어 제공된 기기에서만 사용할 수 있습니다. 이러한 어댑터는 종종 다른 기기와 호환되지 않습니다.

반대로, USB-C 전원 어댑터는 범용적으로 호환 가능하며, 다양한 기기에서 작동하는 USB Type-C 커넥터를 제공합니다. 게다가, 240 W USB PD 어댑터를 사용하면 최대 240 W(48 V @5 A)까지의 전압과 전류를 조정할 수 있습니다. 이를 통해 최대 240 W까지, 5 V 또는 15 V 기기, 45 W 휴대폰 및 160 W 노트북을 포함한 모든 USB 기기를 충전할 수 있습니다. 심지어 향후 사용하게 될 전동 공구, 전기 자전거, 또는 소비자용 3D 프린터와 같은 기기도 동일한 어댑터를 사용하여 충전할 가능성이 있을 것입니다. 하나의 USB 전원 어댑터로 여러 기기를 충전할 수 있어 소비자의 비용을 절감할 수 있습니다.

R&D 및 제조 비용 절감: 통합형 또는 맞춤형 커넥터를 사용하는 맞춤형 전원 공급 장치는 종종 설계, 제조 및 테스트에 대한 추가 투자가 필요하며, 특히 생산량이 매우 많지 않을 경우 더욱 그렇습니다.

맞춤형 전원 공급 장치 대신 USB-C 전원 어댑터를 채택하고 적절한 Infineon USB-C PD 컨트롤러를 사용하여 전력을 수용하면 와트당 비용 비율을 줄이는 데 도움이 됩니다. 이는 대량 시장에서 충전기 제조업체들 간의 치열한 경쟁으로 인해 자연스럽게 발생할 것입니다.

시장 출시 시간을 개선하기: 외부 또는 내장형 충전기 설계로 인한 높은 비용 외에도, 맞춤형 솔루션은 대개 R&D 및 추가 테스트에 훨씬 더 많은 시간이 필요합니다. 인증된 USB 충전기와 함께 간단한 싱크 USB 구현은 대부분의 응용 사례에서 더 빠른 시장 출시를 가능하게 합니다.

OEM에 대한 의존도 감소: 또 다른 상황은 전원 공급 장치나 통합 AC/DC 전원 모듈이 OEM 제조업체로부터 제공될 때 발생합니다. 이 경우 프로젝트의 미래는 제3자의 제조 계획에 크게 의존할 수 있습니다. USB 싱크 기능이 구현되면 소비자 시장의 유사한 전력 기능을 가진 인증된 USB 어댑터를 모두 사용할 수 있으므로 단일 OEM 공급업체에 대한 의존도를 줄일 수 있습니다.

전자 폐기물 감소: 처음 보기에는 분명하지 않을 수도 있지만, 충전기를 통합하는 것은 환경 보호에 중대한 영향을 미칩니다. 각 충전기는 작지만, 매년 수백만 개의 충전기가 폐기된다는 점을 고려할 때 환경에 미치는 결과는 상당합니다.

브랜드 인식 개선: 디자인 회사가 항상 트렌드를 따르고 있다는 사실은 잠재 고객에게 추가적인 매력을 더해줍니다. 현대적이고 값비싼 측정 장비를 구입했는데 드라이버 설치와 소프트웨어 도구가 포함된 CD가 제공된다면 어떻게 느낄지 상상해 보십시오.

USB Type-C 커넥터: 앞서 언급된 USB 구동 요인과 장점 외에도, 가장 중요한 특징 자체는 2014년에 도입된 24핀 USB Type-C 커넥터였습니다(그림 1 참조).

업계의 최신 트렌드를 따라, Arrow와 Infineon은 고전압 마이크로컨트롤러 EZ-PD™ PMG1-S3를 사용하여 고전력 USB 애플리케이션을 지원하기 위한 새로운 240 W PD 3.1 싱크 레퍼런스 설계를 소개했습니다. 이 새로운 레퍼런스 설계는 최신 USB PD 표준에서 달성 가능한 가장 높은 수준인 48 V @5 A 파워 딜리버리 오브젝트(PDO) 싱크 모드를 지원합니다.

이 레퍼런스 디자인은 Infineon의 EZ-PD™ PMG1 고전압 마이크로컨트롤러 제품군의 기존 전력 싱크 기능을 140 W에서 240 W로 확장하여, 많은 전력 소모가 큰 애플리케이션과 고속 충전 애플리케이션에 중요합니다.

이 240 W 싱크 레퍼런스 디자인 보드 REF_ARIF240WS3, 그림 4에 표시된 제품은 최근 출시된 Infineon의 USB PD 3.1 소스 평가 보드 REF_XDPS2222_240W1을 보완합니다. 이 조합은 엔지니어들이 시장에서 최초로 완전한 240 W USB PD 3.1 소스-싱크 솔루션을 사용할 수 있도록 지원합니다.

240 W 전원 공급 장치를 위한 보완 설계인 Infineon의 REF_XDPS2222_240W1 은 CoolGaN™ 기술을 기반으로 25 W/in³ 전력 밀도와 높은 효율을 제공하는 폼팩터 USB PD 3.1 레퍼런스 설계입니다. 이 설계는 XDP™ 디지털 전력 XDPS2222 PFC + 하이브리드 플라이백(HFB) 콤보 IC를 사용합니다(그림 5).

PFC와 HFB 컨트롤러 간의 내부 핸드셰이킹 및 적응형 버스 전압 설정은 XDP™ XDPS2222 컨트롤러를 넓은 AC 입력 및 매우 넓은 출력 전압 범위를 가진 애플리케이션, 예를 들어 USB PD 확장 전력 범위(EPR) 어댑터 및 배터리 충전기에 이상적이게 만듭니다. 주요 기능으로는 HFB ZVS 고-저측 작동, 빠른 응답 HFB 피크 전류 제어, 조화로운 PFC 및 HFB 작동, 경부하에서의 펄스 스킵, 자동 PFC 활성화/비활성화 제어, 그리고 자체 조정 PFC 버스 전압 레벨을 포함합니다.

이 참조 설계는 경량 전기 차량(전기 자전거, 전기 스쿠터 및 기타 개인 전동 이동 기기), 드론, 이동 로봇, 3D 프린터, 전문 AV 장비, 전동 공구, 의료 장비, 가전제품, 가정용 엔터테인먼트 기기 등 다양한 애플리케이션을 지원하도록 설계되었습니다.

하지만 일반적으로 0~240W를 필요로 하는 모든 애플리케이션은 전원 공급을 위해 USB-C를 채택하고, 이러한 고급 설계에서 제공하는 USB PD의 뛰어난 기능을 활용할 수 있습니다.

두 개의 참조 설계는 요청 시 제공됩니다. 기술 지원 외에도 Arrow는 회로도 맞춤화 및 PCB 수정과 같은 다양한 기술 지원 서비스를 제공하여 고객의 설계 잠재력을 극대화하고 출시 시간을 단축하는 데 도움을 줍니다.