최신 USB PD 사양은 개정판 3.1부터 시작하여 EPR 모드를 사용하여 최대 240W의 전원 공급을 가능하게 합니다. 이 기능은 USB-C 장치의 내장된 상호 운용성과 함께 소형 가전제품, 전동 공구, 가정용 로봇 및 전자 자전거와 같은 많은 새로운 애플리케이션으로 USB 전원을 확장하여 설계를 더 간단하고 유연하게 만들고 전자 폐기물을 줄이는 데 더 잘 대비할 수 있게 합니다.
이제 5V에서 48V까지의 다양한 전압 레벨과 최대 5A의 전류 레벨에서 전력을 전송할 수 있는 최신 USB Power Delivery(USB PD) 사양은 Extended Power Range(EPR) 모드를 지원하여 USB Type-C(USB-C) 소스에서 싱크 장치로 최대 240W의 전력을 공급할 수 있습니다. 따라서 편리하고 유연하며 견고한 USB 전원은 기존 PC 및 모바일 애플리케이션을 넘어 이전 USB 세대보다 훨씬 더 많은 전력을 필요로 하는 장비 유형을 처리할 수 있습니다. 또한 USB-C 전원을 의무화하고 더 많은 유형의 제품을 충전하여 사용자당 전원 어댑터 수를 줄이고 전자 폐기물을 절약함으로써 환경 및 실질적 이점도 분명합니다.
유연하고 뒤집을 수 있는 연결
또 다른 기술적 성과는 USB-C 커넥터 자체입니다(그림 1). 가장 진보된 버전은 단일 USB-C 케이블을 통해 최대 240W의 고전력 레벨을 처리하도록 설계되었으며, USB PD 기능이 중요한 전력 소모가 많은 애플리케이션을 지원하는 데 자주 사용됩니다. 가장 큰 장점은 USB-C 케이블이 방향에 구애받지 않고 뒤집을 수 있는 연결을 지원한다는 것입니다.
또한 양방향 전력 공급 옵션도 구현할 수 있습니다. 이는 USB-C 커넥터의 CC1 및 CC2 핀 구성을 통해 수행되며, 이는 연결된 장치의 역할을 결정합니다. 즉, 소스 전력 역할의 다운스트림 방향 포트, 싱크 역할의 업스트림 방향 포트, 소스 및 싱크 역할 모두의 듀얼 역할 포트입니다. CC 핀은 또한 소스와 싱크 간의 전력 공급 계약을 협상하기 위한 데이터를 처리합니다.
또 다른 4개의 VBUS 핀은 4개의 접지 핀과 함께 전력 전송에 사용됩니다. 적절한 접지는 높은 전력을 제공하고 높은 데이터 속도에서 신호 무결성을 유지하는 데 필수적입니다. USB 3.1 데이터 전송을 위한 4개의 차동 쌍과 2쌍의 레거시 D+/D– 데이터 핀이 있습니다.
USB의 진화
USB PD 사양은 최초 출시 당시 USB 2.0과 공유하는 기본 5V에서 최대 20V까지 고정 전압 레벨을 높여 USB 전력 전송 기능을 크게 향상시켰습니다. 허용되는 최대 전류 레벨인 5A에서 최대 전력 레벨인 100W는 모니터 및 도킹 스테이션과 같은 대형 주변 장치에 전원을 공급하는 범위를 크게 확장했습니다.
5V, 9V, 15V 및 20V의 표준 고정 전압 레벨 외에도 USB PD 3.0은 또한 프로그래밍 가능 전원 공급 모드를 도입했습니다. 이 모드는 비표준 전압(20mV 단계) 및 전류(50mA 단계)를 협상합니다. 이 기능은 효율적인 충전을 달성하고, 가능한 케이블 손실을 보상하거나 싱크 측에 전원을 공급하는 데 필요한 정확한 전압 레벨을 제공하기 위해 구현될 수 있습니다.
최신 USB PD 3.1/3.2 사양은 EPR 모드와 최대 240W 전력을 지원합니다. 그림 2는 기존 USB 표준과 최신 USB PD 사양에 적용 가능한 전압과 전력 범위를 보여줍니다. 증가된 전력 범위는 의료 기기, 산업 장비, 감시 시스템, LED 조명 및 커피 메이커와 블렌더와 같은 소형 가전제품과 같은 다양한 유형의 장비에 전력을 공급할 수 있는 기회를 더욱 확대합니다. 또한 스마트폰 배터리보다 상당히 큰 배터리로 작동하는 전자 자전거 , 전동 공구 및 드론과 같은 장비는 이제 실용적인 시간 내에 재충전하여 신속하게 서비스에 복귀할 수 있습니다.
시장 동향
USB-C 및 USB PD 기술은 노트북 및 휴대전화와 같은 소비자용 애플리케이션에서 처음 널리 채택되었습니다. 다음 단계에서 자동차 제조업체는 차량 내부 애플리케이션에 대한 USB PD의 장점을 발견했습니다. 현재 e-모빌리티와 임베디드 및 산업용 애플리케이션에서 상당한 성장을 보고 있습니다. 이러한 광범위한 수용은 자연스러운 시장 힘으로 인해 발생하며, 경쟁이 치열해짐에 따라 전자 장치 제조업체가 지속적으로 혁신하도록 동기를 부여합니다.
이와 대조적으로, 또 다른 눈에 띄는 드라이버는 비시장적 기원을 가지고 있으며 국가 규정에 의해 발생합니다. 전 세계의 기술 커뮤니티와 지방 자치 단체는 전원 어댑터와 충전기를 표준화하여 전자 폐기물을 줄이는 데 있어 USB의 잠재력을 보고 있습니다. EU의 공통 충전기 지침 2022/2380에 따르면, USB-C 커넥터와 USB PD 사양의 사용은 2024년 말부터 EU 전역의 많은 휴대용 애플리케이션에 필수가 될 것입니다. 미국, 중국, 인도 및 기타 지역에서도 유사한 논의가 진행 중입니다.
요약하자면, 전원을 위한 USB-C와 USB PD를 구현하는 것은 비용, 유연성, 상호 운용성 및 많은 실제 응용 분야에서의 사용성 덕분에 전자 제품의 경쟁력을 높일 뿐만 아니라, 생태학적 혁신에 기여하고 진행 중인 설계가 앞으로 수년간 국가 규정을 준수하도록 보장합니다.
싱크 및 소스 참조 디자인
최신 트렌드와 주 요구 사항에 따라 Arrow는 Infineon과 협력하여 240W USB PD 3.1 싱크 애플리케이션을 지원하는 REF_ARIF240WS3 레퍼런스 디자인을 만들었습니다(그림 3). 이 레퍼런스 디자인은 주요 USB PD 3.1 기능을 통합하여 240W 전력을 달성하고, 출시 시간을 단축하고 시간과 비용에 대한 투자를 최소화하여 완벽하게 기능하고 테스트되었으며 고객이 사용할 수 있는 솔루션을 제공합니다.
REF_ARIF240WS3는 고전력 USB 애플리케이션을 위해 고안된 Infineon의 EZ-PD PMG1-S3 고전압 마이크로컨트롤러를 사용합니다. 이 레퍼런스 디자인은 140W에서 240W까지의 Infineon의 EZ-PD PMG1 고전압 마이크로컨트롤러 제품군의 기존 전원 싱크 기능으로 확장됩니다. USB PD 3.1 EPR 소프트웨어 스택의 검증된 구현을 사용하고 최신 USB-PD 표준으로 달성할 수 있는 최고 수준인 5A 전원 싱크에서 최대 48V를 지원합니다. 레퍼런스 디자인 보드에는 모터 드라이브 기능과 CAPSENSE가 구현되어 있으며, 사용할 수 있는 회로도와 소프트웨어 코드 예제가 준비되어 있습니다.
REF_ARIF240WS3 싱크와 함께 Infineon의 REF_XDPS2222_240W1(그림 4)은 해당 240W USB PD 3.1 소스에 대한 레퍼런스 디자인을 제공합니다. 이는 Infineon XDP 디지털 전원 XDPS2222 PFC + 하이브리드 플라이백(HFB) 조합 IC로 구축된 고효율 USB PD 3.1 레퍼런스 디자인입니다. 이는 25W/in.3의 전력 밀도에 해당하는 소형 폼 팩터를 가지고 있으며, 이는 Infineon의 CoolGaN 기술로 달성할 수 있었습니다.
PFC와 HFB 컨트롤러 간의 내부 핸드셰이킹 옵션과 적응형 버스 전압 설정 기능을 갖춘 XDP XDPS2222는 USB PD EPR 사양에 맞게 5V에서 48V까지 광범위한 출력 전압을 지원합니다. 레퍼런스 디자인은 하이사이드와 로우사이드 GaN 디바이스 모두에서 HFB 제로 전압 스위칭 모드에서 작동하며, 빠르게 응답하는 HFB 피크 전류 제어와 조화된 PFC 및 HFB 작동을 통해 높은 효율을 보장합니다. 또한 경부하에서 펄스 스킵 기능, 자동 PFC 활성화/비활성화 제어 및 자체 조정 PFC 버스 전압 레벨이 있습니다.
USB PD 사양은 전력을 많이 필요로 하는 USB 주변 기기, 스마트폰 고속 충전 및 기타 여러 애플리케이션의 요구 사항을 충족합니다. 이제 전자 자전거 및 전자 스쿠터, 드론, 모바일 로봇, 3D 프린터, 전문 오디오비주얼 장비, 전동 공구, 의료 장비, 가전제품 및 홈 엔터테인먼트 장치를 포함한 개인용 전자 이동성과 같은 장비도 편리한 USB 전원을 활용할 수 있습니다.
싱크 및 소스 레퍼런스 디자인을 모두 사용할 수 있으므로 설계자는 출시 시간을 단축하고 효과적인 USB 사양에 따라 인증할 수 있는 USB PD 장치를 빠르게 구축할 수 있습니다. 두 레퍼런스 디자인은 모두 요청 시 제공됩니다. 또한 Arrow는 회로도 사용자 정의 및 PCB 수정을 포함한 다양한 기술 지원 서비스를 제공하여 고객 설계의 잠재력을 극대화하고 출시 시간을 단축하는 데 도움이 됩니다.