USB PD 충전 시스템의 설계 기간을 단축하는 통합 솔루션

2022년 12월 12일

글/ 바쿨 담레(Bakul Damle) 비즈니스 관리 디렉터 및 사가르 카레(Sagar Khare) 배터리 관리 담당 수석 비즈니스 매니저, 아나로그디바이스

휴대형 기기에 5G, 4K 디스플레이 같은 첨단 기능들이 도입됨에 따라 전력 소모가 크게 늘어나고 있다. 대용량 2S 배터리를 사용해서 작동하는 디바이스들 중에는 소비 전력이 15W를 훌쩍 넘는 경우가 많다. 이렇게 전력 소모가 높은 디바이스들에게 USB PD(Power Delivery)는 급속 충전이 가능케 함으로써 충전 시간을 단축한다(그림 1).

이전에 AC-DC 배럴 충전기를 사용하던 많은 애플리케이션이 편의성과 통일된 규격이라는 장점 때문에 USB PD로 옮겨가고 있다. 하지만 설계자 입장에서는 USB PD 표준을 충족하려면 복잡한 펌웨어 개발과 추가적인 하드웨어 부품들이 필요하다. Type-C 포트 상에서는 핀과 핀 사이에 간격이 촘촘하고 전압이 높기 때문에(20V) 커넥터를 특정한 각도로 끼우거나 뺄 때 손상이 생길 수 있다. 따라서 USB Type-C와 USB PD 규격 모두 하드웨어 및 소프트웨어 설계 전문성과 USB 규격에 대한 이해가 필요하다.

카메라, 증강현실/가상현실(AR/VR) 시스템, 무선 스피커 같은 소비가전 기기들은 USB Type-C 및 USB PD 충전 방식으로의 전환을 주도하고 있다. 아이러니하게도 이들 기기는 모두 출시시간 압박 때문에 개발 일정을 늘릴 여유가 없는 것들이다. 산업용 및 의료용 애플리케이션에서도 이러한 충전 방식의 도입이 빨라지고 있는데, 동일한 소비자들이 이러한 전문적인 애플리케이션에서도 동일한 편의성을 원하기 때문이다. POS(point-of-sale) 단말기, 산업용 스캐너, 유축기 같은 장비들에서도 USB Type-C 표준이 사용되는 것을 볼 수 있다. 이 글에서는 USB PD 제품을 설계할 때 개발 시간을 단축할 수 있는 몇 가지 팁을 공유할 것이다.

그림 1. USB Type-C와 USB PD는 휴대형 기기에 보다 빠른 데이터 전송과 충전이라는 편의성을 제공한다.

USB-C 충전 시스템의 설계 과제

USB Type-C와 USB PD는 설계자가 범용 커넥터를 구현할 수 있도록, 데이터 전송과 전원 공급을 위한 무방향성 24핀 커넥터 규격을 제공한다. USB-C는 5V로 최대 3A가 가능하고(15W), USB PD 3.0은 5V ~ 20V로 최대 5A가 가능하다(100W). USB-C를 사용하는 충전 시스템을 설계하기 위해서는 다음과 같은 과제를 해결해야 한다.

• 신호 무결성 및 속도 문제

• 다양한 레거시 인터페이스 지원

• 콜드 소켓으로 스타트업(0V 시작해서 인식이 완료될 때까지)¹하는 것을 비롯해서, 다양한 범위의 전압 및 전류를 처리할 수 있도록 설계

• USB-C 충전 소스를 연결했을 때 충전기와 포트 컨트롤러의 상호 통신

• 소비가전 기기 같은 제품의 크기 축소 요구 충족

• 온도 상승을 최소화하도록 열 효율 유지

통상적으로 이러한 요구를 충족하기 위해서는 USB-C 협상 기능을 위해 호스트 단에 복잡한 소프트웨어 개발이 필요하거나, 외부 FET나 외부 마이크로컨트롤러 같은 추가 부품들이 필요하다. 그런데 이러한 개발 작업과 외부 부품 사용을 최소화할 수 있는 충전 시스템 솔루션들이 공급되고 있다. 어떤 솔루션은 사전에 프로토콜을 충족하도록 설계되어 구현 작업을 더욱 간소화하고, 또 어떤 솔루션은 이벤트 기반 액션 스크립트를 사용해서 손쉽게 맞춤화가 가능하다. 고도의 통합 IC는 외부에 필요한 부품 수를 크게 줄인다. 온도 변화나 습기 등으로 인한 열악한 환경에서도 안정적으로 동작할 수 있게 하는 것도 중요하다.

전력 소모가 많은 디바이스가 더 오랫동안 동작할 수 있도록 하기 위해 보다 용량이 큰 배터리를 사용할 때 고려해야 할 또 다른 주의점들이 있다. 1S에서 2S 배터리로 전환하면 충전 전류를 높이지 않으면서도 용량을 늘릴 수 있다. USB-C는 5V ~ 20V 입력 전압을 지원하고 2S 또는 3S 배터리 전압은 그 사이 어디쯤에 위치하므로, 이 틈새를 메우기 위해서는 벅-부스트 컨버터가 유용할 수 있다. 그림 2는 2S 배터리를 사용하는 애플리케이션의 블록 다이어그램을 보여준다.

그림 2. 2S 배터리를 사용하는 애플리케이션의 블록 다이어그램

바로 사용 가능한 USB-C 적합성

아나로그디바이스는 USB PD 3.0을 충족하도록 사전에 설계되어 사용자가 복잡한 펌웨어를 개발할 필요가 없고 개발 시간을 최대 3개월까지 단축할 수 있게 하는 2개의 새로운 USB-C 충전 시스템 솔루션을 제공한다. 이 솔루션의 컴팩트한 풋프린트는 경쟁 솔루션과 비교할 때 솔루션 크기를 절반으로 줄인다.

MAX77958 USB Type-C 및 USB PD 충전 컨트롤러는 GUI 기반 맞춤화 스크립트를 제공하고, BC1.2를 지원하며, FRS(Fast Role Swap), DRP(Dual Role Port), Try.SNK 모드와 관련해서 구성 설정이 가능하다. 독립형 디바이스로서 외부 MCU가 필요 없으며, USB PD 3.0을 완벽하게 충족하고, 별도의 펌웨어 개발이 필요 없이 최종 애플리케이션의 필요에 따라서 동작을 맞춤화할 수 있다. 28V 정격, CC 핀에 대한 VBUS 단락 보호, 집적화된 아날로그-디지털 컨버터(ADC) , 습기 감지/부식 방지 같은 기능을 통해 열악한 환경에서도 안정적으로 동작할 수 있는 견고성을 갖췄다.

MAX77958은 마스터 I²C 인터페이스를 통해 컴패니언 차저를 자동적으로 제어할 수 있다. MAX77961은 FET를 통합한 6A 벅-부스트 차저로서 고용량 2S 및 3S 리튬이온 배터리를 빠르게 충전할 수 있다. 넓은 입력 전압 범위(3.5V ~ 25V)로 USB PD 충전이 가능하며, 외부 FET가 필요 없고, 애플리케이션 프로세서를 사용하거나 사용하지 않을 수 있다. 9V_IN, 7.4V_OUT, 1.5A_OUT으로 97%의 피크 효율을 달성한다.

이 두 제품의 평가 작업을 위해 MAX77958EVKIT-2S6#(2S 배터리 용으로 구성됨)과 MAX77958EVKIT-3S6#(3S 배터리 용으로 구성됨)이 제공된다. 이들 평가 키트를 사용하면 MAX77958이 어떻게 I2C 마스터를 통해서 MAX77961 차저를 자동적으로 제어하는지 확인할 수 있다.

이 밖에도 아나로그디바이스는 고효율 차저와 컨버터, 자율적이며 견고한 컨트롤러, 전원 경로 및 보호 IC를 비롯한 포괄적인 USB Type-C 및 USB PD 제품 포트폴리오를 제공한다.

참고문헌
¹https://www.maximintegrated.com/en/design/technical-documents/app-notes/6/6918.html