벅-부스트 컨버터로 도로 위에서도 사용 가능한 USB PD(Power Delivery)

  • 2017년 01월호
  • 김영학 기자, yhk@elec4.co.kr
  • 글 | 비제이 초드라, 시스템 애플리케이션 엔지니어, 전원 제품 솔루션 & 자베드 아흐마드, 시스템 애플리케이션 매니저, 선형 전원, 텍사스인스트루먼트


4개 스위치벅-부스트 컨버터는 자동차와 파워뱅크에서의 USB충전 문제를 해결하는 고효율 콤팩트 전원 솔루션이다.

원래 데이터 용도로 고안된 USB(Universal serial bus)는 7.5W 이하의 휴대전화와 저전력 휴대형 기기를 충전하는데 가장 많이 쓰이는 전원이다. USB 충전(USB PD)은 이제 그 범위를 넓혀 태블릿이나 랩톱과 같은 고전력 디바이스들까지 포괄하고 있다. 이동이 잦은 소비자에게 매우 유용하긴 하지만 더 넓은 출력전압(5~20V) 및 더 높은 전력 요건(최대 100W)이 낮은 전압 소스에서 작동하는 전원 공급장치에 특히 문제가 되고 있다.

자동차 배터리 레일(12V) 또는 휴대용 배터리 뱅크(파워 뱅크)에서 전원을 끌어오는 USB 포트는 입력 전압 소스보다 더 낮거나 높은 전압을 만들어낼 수 있어야 한다. 또한 DC/DC 전압 변환 단계는 PD 컨트롤러의 명령을 받아 동적으로 그 출력 전압 및 전력을 로드 요건에 따라 바꿀 수 있어야 한다. 이 글은 벅-부스트 컨버터를 이용한 USB-PD 전력원의 새로운 설계 방법을 보여주고자 한다. 이 방식은 100W USB PD 가능 포트의 출력 전압, 전력, 슬루율 등의 요건들을 만족시키면서 작은 솔루션 크기와 고효율을 달성한다.



배경

USB는 원래 전력 기능이 제한적인 데이터 인터페이스로 만들어졌다. 시간이 지나면서 이 사용 모델은 데이터 인터페이스 유무를 떠나서, 모바일 기기를 위한 주전원으로 역할이 확대되었다. USB는 전원으로서 진정한 범용성을 가지고 있으며, 장소가 가정이든, 자동차, 사무실, 호텔, 공항이든 상관없이 변하지 않는다.

심지어 전압과 전기 플러그 구성이 다른 나라들에서도 USB는 전 세계 동일하다. 모바일 기기의 수가 스마트폰, 태블릿, 전자책, 카메라, 기타 휴대용 전자장비 등의 형태로 늘어남에 따라, 사람들이 USB를 충전용으로 쓰는 경우도 늘어나고 있다. 당연하게도 휴대용 배터리 팩이나 파워 뱅크 대부분이 USB를 충전 방식으로 채택하고 있다.

USB 포트의 유비쿼터스 특성에서 불구하고 기존 USB 표준[1], [2], [3]은 전압과 전력에 둘 다 제한적이다.

전통적으로 USB 전압은 5V로 제한되어 있고, 전력 레벨은 USB 배터리 충전기 1.2(USB BC 1.2)의 경우 7.5W로 제한되어 있다. 오늘날 시중에서 구할 수 있는 여러 다양한 휴대용 장치들, 예를 들어 스마트폰, 전자책, 태블릿, 넷북, 하드디스크 드라이브, 휴대용 프린터 등등의 면면을 보면, USB의 기존 전압 및 전력 레벨은 부족한 점이 많다. 〈표 1〉은 USB PD까지 올라온 USB 충전 능력의 진화를 요약한 것이다.



USB PD(Power Delivery)

레거시 USB의 전력 한계와 더 큰 장치를 더 빨리 충전해야 할 필요성 때문에, USB PD 사양이 USB 3.1 및 USB 타입-C™ 사양과 함께 만들어졌다. 이 사양의 목적은 USB의 광범위한 활용도를 기반으로 태블릿, 노트북, 랩톱, 기타 수백 가지 배터리/버스 구동 모바일기기 같은 더 높은 전압 및 더 높은 전력 장치들에까지 그 범위를 확장하기 위한 것이다.

타입-C 사양 혼자서 5V 전력소요량을 15W로 상승시키지만, USB PD 사양은 이 전력 소모량을 5V에서 15W, 9V에서 27W, 15V에서 45W, 20V에서 100W, 이렇게 별개의 전압 레벨에서 추가로 확대시킨다. 타입-C 사양은 레거시 어댑터 케이블을 통해 모든 타입-A와 타입-C 포트 및 콘센트와 하위 호환이 가능하지만, 이보다 오래된 커넥터들을 사용하는 제품들은 여전히 USB 2.0과 USB 3.1의 파워 성능으로 제한된다.

5V 디바이스에서 작동할 수 있도록 USB PD 사양은 하위 호환에 관한 엄격한 가이드라인을 구현하고 있다. 모든 USB PD 소스들은 처음 전원을 켰을 때 VBUS에서 5V를 공급하도록 강제 돼 있으며, 더 높은 소스 전압은 연결된 장치가 VBUS에서 5V 이상을 요청하는 PD가능 싱크인 것이 확실해질 때에만 적용된다.

USB PD 사양 요약 

USB PD[5]의 경우, 포트는 전압이나 전류, 전력 등의 레벨을 처리한 후, 전력 흐름의 방향을 처리한다. USB PD 프로토콜은 타입-C[4] 케이블의 채널 구성(CC) 와이어를, 전력 계약을 위한 통신 채널로 사용한다. USB PD는 다른 충전 프로토콜과는 별개의 전매 프로토콜이거나 표준 프로토콜이다(예: Quick Charge™, USB BC 1.2).

USB PD 프로토콜은 소스와 싱크의 역할이 서로 스왑되는 것을 허용한다. 그렇지만 이 글에서는 USB BC 1.2[3]의 전용 충전 포트와 비슷한 소스 전용 포트에만 초점을 맞추려 한다. USB 타입-C 및 USB PD 용어에서, 이것은 풀업 저항기나 전류(Rp 또는 Ip)가 발휘되는 포트를 뜻하며 이것은 VBUS에 전력을 공급해 싱크로 하여금 소비하게 하는 포트이다.

전체 USB PD 전력계약의 시퀀스는 소소 측면에서 보자면 다음과 같다.

· 부착된 CC 와이어에서 풀다운 저항기(Rd)를 가진 싱크를 소스가 감지한다.
· 소스가 VBUS를 GND에서 5V로 가져간다.
· 소스가 케이블과 통신을 시도해 케이블 성능을 감지한다. 케이블은 반응을 할 필요가 없으며, 반응을 하지 않는 케이블은 최대 3A를 전달할 수 있는 것으로 추정한다.
· 소스가 자기의 소스 성능을 알린다. 그 알림에 반응하면 그 싱크가 PD 가능 싱크라는 뜻이다. 무시된다면, 그 싱크는 타입-C만 가능한 싱크로, VBUS는 여전히 5V에 머무르게 된다.
· 소스는 알림 된 성능 중 하나에 대해 싱크의 요청을 받는다.
· 소스 전원 공급장치가 합의된 전압 레벨에서 전력을 소싱할 준비가 되면, 소스가 파워-서플라이-레디(PS_RDY) 메시지를 보낸다.

소스는 언제든 파워 롤 스왑 같은 다른 PD 메시지들과 함께 자신의 성능 변화를 싱크에 알릴 수 있고, 최초 PD 계약이 확립된 후 대체 모드(Alternate Mode)가 일어날 수도 있다. 소스는 타입-C 연결이 해제되는지 CC 와이어를 계속 관찰한다. 소스는 싱크가 분리되거나 하드리셋 신호가 수신되면 VBUS를 다시 GND로 낮춤으로써 통신에 오류가 있음을 알린다.



USB PD 전원

USB PD 전원은 AD/DC벽면 어댑터 형태일 수도 있고, DC-전압원일 수도 있다. 일반적인 PD 가능 전원의 예로 자동차의 USB 포트나 시가잭 포트로 구동되는 USB 자동차 충전기를 들 수 있다. 둘 다 12V 자동차 배터리 레일을 외부 전원 공급장치(그림 1a)로 사용한다. 내부 스토리지를 가진 전원 구현이 파워 뱅크다.

충전기의 벅-부스트 

USB PD의 넓은 출력 전압(VBUS) 범위는 전력단 설계에서 색다른 문제점이 된다. 표준 전압이 110V와 220V인 AC 벽면 콘센트로 구동되는 충전기의 경우, 5~20V 출력을 발생시키는데 스텝다운 변환만 있으면 된다. 그렇지만 차량용 12V 배터리(그림 1) 또는 파워뱅크(그림 2)에서 구동되는 USB PD 가능 충전기는 배터리의 상태와 협상된 전력 수준에 따라 입력 전압보다 낮거나 높은 출력 전압(VBUS)을 발생시켜야 한다.

 

차량용 충전기나 파워 뱅크에서 USP PD에 명시된 더 높은 전압을 지원하려면, USB PD 포트를 위한 전원 공급장치 설계를 단순한 벅(그림 2a) 토폴로지에서 벅-부스트(그림 2b) 토폴로지로 바꿔야 한다. 전통적으로 벅-부스트 설계에는 복수의 와인딩과 트랜스포머 등 연속하는 복수의 스테이지들이나 복잡한 토폴로지들이 수반된다. 작은 폼팩터에서는 넓은 입출력 전압 범위를 책임지는 싱글 스테이지 효율 벅-부스트 솔루션을 더 선호한다[6].

USB PD 전원 공급장치 제작 

TI LM5175와 같은 싱글 스테이지, 4 스위치 벅-부스트는 다양하게 변화하는 입력 전압 소스를 변환하는데 있어, 단순하고 효율적이며 콤팩트한 전력단 솔루션이다. 그 예로, 차량용 배터리가 USB PD에 필요한 잘 조정된 선택형 출력 레일이나 동적 제어 출력 레일로 바뀌는 것을 들 수 있다.

 

그림 3〉은 4 스위치, 벅-부스트 컨버터를 이용해 프로그래머블 출력 전압을 만들어내는 두 개의 각기 다른 회로도로 보여주고 있다. 첫 번째 회로도(그림 3a)는 액티브 로우-로직 시그널을 이용해 벅-부스트 컨버터의 피드백 저항기 디바이더의 로우 사이드에 있는 외부 저항기들을 전환한다. 이 간단한 회로도는 고정된 소규모 출력 전압들을 만들어내는데 적합하다[7], [8].

(일부 스마트폰 벤더들이 구현한 특정한 전매 고속충전 회로도처럼) 출력 전압을 동적으로 조정할 수 있는 구현의 경우, 또는 많은 USB 버스 전압들이 필요한 경우, DAC(Digital-to-Analog Converter) 기반 회로도가 적합하다(그림 3b). 전압 프로그래밍 레벨을 펌웨어에서 변경할 수 있기 때문이다.

LM5175 벅-부스트 DC/DC 컨버터 스테이지는 다양한 USB PD 컨트롤러들, 예를 들어 TI의 TPS25740/A 및 TPS25741와 쉽게 쌍을 이뤄 피드백 노드를 이용한 완전한 USB PD 호환 전원을 만들어낼 수 있다. 〈그림 4〉는 자동차 배터리 입력 범위에서 작동하며 PD 표준 전압들을 공급하는 USB PD 솔루션의 하이레벨 다이어그램을 보여주고 있다. 

타입-C PD 다운스트림 포트 컨트롤러[7]는 타입-C 포트 감지와 PD 계약 협상을 처리한 후, DC/DC 전력 단자가 포트 부착으로 VBUS에서 기본 5V를 내놓을 수 있게 할 수 있다. PD 가능 싱크가 요청되는 경우, PD 컨트롤러는 DC/DC 서플라이에 명령을 해 CTL/2 핀들을 낮게 당김으로써 그 출력전압을 요청 받은 전압으로 변경한다.

USB 데이터까지 구현된 복잡한 USB PD 구현이 〈그림 5〉에 나와 있다. 이 구성은 벅-부스트를 전력 단자를 USB PD 및 타입-C 컨트롤러와 함께 사용하며[9], USB 데이터도 지원한다. LM10011같은 DAC를 이용해 벅-부스트 DC/DC 스테이지를 가진 PC 컨트롤러와 연결하면 USB 버스 전압을 더 유동적으로 프로그래밍 할 수 있다.



결론

USB PD는 USB 전압을 20V까지, 출력 파워는 100W까지 확장시킨다. 이것은 기존 USB 배터리 충전 사양 Rev 1.2가 제공하는 5V/7.5W에 비해 비약적인 발전으로, USB 기반 충전을 태블릿과 전 기능 랩톱에까지 확대할 수 있는 전망을 보여준다. 그러나 차량용 USB 포트, 애프터마켓 차량용 충전기, 파워뱅크 같은 배터리구동 USB 소스들은 새로운 DC/DC 변환 문제를 가져온다. 요청 받은 출력 전압에 따라 전력 단자가 벅과 부스트를 할 수 있어야하기 때문이다.

TI의 LM5175 같은 4 스위치 벅-부스트는 자동차 및 휴대용 배터리 팩 구동 USB 충전기에 필요한 넓은 입력/출력 전압 범위를 해결할 수 있다.

이 글은 동기식 4 스위치 벅-부스트 DC/DC 컨트롤러를 TI의 TPS25740 또는 TPS25740A(DFP 전력 전용)과 TPS25741 USB PD 컨트롤러(전력과 데이터 둘 다 가능) 같은 여러 가지 DC/DC 컨트롤러를 어떻게 함께 사용해야 고효율의 뛰어난 콤팩트 USB PD 솔루션을 만들어낼 수 있는지를 보여주고 있다.

  ● 참고자료

[1] USB 2.0 - Universal Serial Bus Specification, Revision 2.0, plus ECN and Errata.
[2] USB 3.1 - Universal Serial Bus 3.1 Specification, Revision 1 plus ECN and Errata.
[3] USB BC 1.2 - Universal Serial Bus Battery Charging Specification, Revision 1.2 plus.
[4] USB 타입-C 1.2 - Universal Serial Bus 타입-C Cable and Connector Specification, Revision 1.2, March 25, 2016.
[5] USB PD 2.0 - Universal Serial Bus Power Delivery Specification, Revision 2, Version 1.2, March 25, 2016.
[6] Under the hood of non-inverting buck-boost converter, TI Power Supply Design Seminar, September 2016.
[7] TPS25740, TPS25740A USB 타입-C and USB PD Source Controller, TI data sheet (SLVSDG8A) May 2016.
[8] TPS25740 Evaluation Module with LM5175.
[9] TPS65982 USB 타입-C and USB PD Controller Power Switch and High Speed Multiplexer, TI data sheet. 

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