USB 포트를 최신 USB 표준 및 USB 타입-C 커넥터로 마이그레이션해야 하는 개발자라면 다음과 같은 사항을 고려해봤을 것이다.

ESD 보호 

첫째, 사용자에게 커넥터가 외부에 노출되는 모든 시스템은 IEC 61000-4-2 정전기 방전(ESD) 보호를 해야 한다. 또한 이전의 USB 타입-A나 USB 마이크로-B 커넥터보다 더 많은 신호 핀을 보호해야 한다. 24핀 USB 타입-C 커넥터(그림 1)는 USB 2.0 데이터를 위한 2개의 차동 쌍(D+/D-), 최대 20 Gbp까지 전송이 가능한 SuperSpeed 데이터 버스를 위한 4개 쌍(TX/RX), 2개 SBU(side-band-use) 핀과 케이블 방향 검출을 위한 2개 CC(configuration channel) 핀에 대해 ESD 보호가 필요하다. 

▲ 그림 1. 전체 기능을 갖춘 USB 타입-C 플러그인 핀아웃

과전압 보호

둘째, 최대 100W USB PD(Power Delivery)가 가능해짐에 따라, 이제 V_BUS 핀은 최대 20V까지 전달될 수 있다. 이는 V_BUS가 인접한 CC 또는 SBU 핀에 단락할 경우 다운스트림 USB 타입-C 컨트롤러에 상당한 손상을 줄 수 있는 전압 수준이다. 하드 시스템 고장을 방지하려면 ESD 보호 외에 커넥터에 과전압 보호가 필요하다.

과전압 손상의 위험으로부터 시스템을 보호하려면 ESD 다이오드 자체로 20 V_DC까지는 견딜 수 있어야 한다. 이보다 더 높은 전압에 견디는 보호 옵션도 지금은 많이 나와 있지만, 이러한 옵션은 너무 높은 전압에서 클램핑되므로 IEC ESD 발생 시 다운스트림 컨트롤러를 보호할 수 없다.

또 커넥터에 케이블이 존재할 때(또는 케이블이 존재하지 않을 때) V_BUS 단락 발생 시 시스템에 미치는 영향을 고려하면, 케이블이 40V를 초과하는 링잉을 유발할 때 솔루션은 시스템을 보호해야만 한다. 한마디로, 견고한 USB 타입-C 커넥터 보호는 표준 ESD 다이오드뿐 아니라 고전압, DC 내성 과도 전압 억제(TVS: Transient Voltage Suppressor) 다이오드를 필요로 한다.

커넥터에 OVP 및 IEC ESD 보호를 갖는 시스템 보호가 필요하지만, 동시에 완전한 USB 타입-C 포트 보호 솔루션은 시스템이 새로운 USB 표준 규격을 준수할 수 있도록 해야 한다. 예를 들어 만약 시스템이 SuperSpeed 통신 지원과 같은 USB 타입-C의 새로운 기능들을 이용한다면, USB 타입-C 규격은 active 케이블에 전력을 공급하기 위해 CC 라인에 V_CONN 지원을 필요로 한다. OVP 솔루션이 CC 라인에서 기능하려면 5.5 V_DC 전원 레일을 통과할 수 있게 지원해야 한다. 포트 보호는 또한 전원 레일의 전체 전압 강하가 USB 규격이 요구하는 수준을 초과하지 않도록 낮은 On 저항(R_ON)을 갖게 해야 한다.

시스템이 배터리로 동작되고, 전원 소스로 타입-C 커넥터에 의존하는 경우 솔루션은 배터리가 완전히 소진되는 경우에도 과전압 조건으로부터 CC 라인을 보호해야 한다.

이러한 모든 경우와 다른 복잡한 시나리오를 고려할 때 견고한 솔루션이 되려면 단순히 ESD 보호 다이오드와 OVP FET를 추가하는 수준을 넘어 USB 타입-C 포트를 보호해야 한다. OVP FET는 고전압 디스크리트 TVS 다이오드에 의한 클램핑 전압을 견딜 수 있어야 하며, 이렇게 하려면 낮은 RON 요구사항과 함께 FET의 가격과 크기가 증가한다. 이것은 또한 디스크리트 구현을 복잡하게 만들고 많은 비용이 들게 하며, 소형 크기의 USB 타입-C 커넥터 주위에 넓은 풋프린트를 차지하게 만든다.

마지막으로, 이 글을 읽으면서 “내 시스템은 15W 이상의 고전력 PD 기능을 지원하지 않는 단순한 시스템으로 15W 이하 PD 규격을 완벽하게 준수한다”고 생각한다면, 시중에 나와 있는 상당한 수의 USB 타입-C 케이블과 어댑터가 표준 규격을 준수하지 않은 것으로 나타난 것이니 어떤 것들은 결함이 있을 수 있다는 점을 염두에 두어야 한다(그림 2). 심지어 5V 시스템에서도 컨트롤러와 PD 협상 전에 최대 20V의 V_BUS 단락이 발생할 수 있는 위험이 존재한다. 이러한 일이 발생하면 시스템 손상은 물론 제품의 명성에도 피해를 주게 된다.

 
▲ 그림 2. 정상 및 불량 벽면 어댑터에 대한 CC 핀 노출

USB 타입-C 포트 보호를 위한 설계 고려사항에 대한 자세한 내용은 TI의 백서 '회로 보호 USB 타입-C™'를 참조할 수 있다. TPD8S300 또는 TPD6S300과 같은 TI의 USB 타입-C 포트 보호 IC 제품군의 디바이스를 사용하면, USB 포트를 새로운 USB 타입-C 커넥터로 마이그레이션하는 작업과 관련된 복잡한 단계에서 해방될 수 있다.