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보조배터리 설계에 적용된 USB PD 기능

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글/사토시 테라다(Satoshi Terada), 온세미컨덕터 수석 마케팅 총괄,
     히데오 콘도(Hideo Kondo), 온세미컨덕터 제품 마케팅 총괄

표준은 좋지만, 때로는 그 이상이 필요하다. USB 타입 C는 이에 부합하는 완벽한 예시다. USB 타입 C는 여러 케이블을 하나로 대체해 고속데이터 전송과 전력전달을 위한 표준 인터페이스를 구축하겠다는 의도로 만들어졌다. 전자 기기 제조업체가 출하하는 모든 기기에 케이블을 공급하지 않기도 하고, 소비자도 서랍이나 선반, 책상 등에 안 쓰고 넣어 두는 여분의 케이블을 많이 갖고 있으므로, 이는 어느정도는 일리가 있다.
그러나 한 가지 사양을 표준화해서 모든 기기가 동일하게 만들어지는 것은 아니다. USB 3.x PD(Power Delivery)를 가능케 하는 프로토콜로 업체들은 VDM(Vendor Defined Message) 모드를 사용해 CC(Configuration Channel)를 통해 장치와 통신할 수 있다. 또한, VDM을 사용해 USB 3.0 PD 사양에 정의된 것 이상의 정보를 교환할 수 있다. 이는 다양한 용도로 사용될 수 있기도 하고, 제조사가 장치와 직접 통신할 수 있다는 뜻이기도 하다. VDM은 다른 장치에 사용하는 표준처럼 보이지만, 전화 전용으로 설계된 콘센트를 사용하면 고객에 부가가치를 제공하기도 한다.
VDM에 대한 액세스는 USB 컨트롤러에서 발생하며, 고속 충전 또는 대체 장치/보조 장치 모드로 전환해 비 USB 프로토콜을 수용하도록 일부 연결 용도를 변경할 수 있는 기능을 구현해 USB 타입 C 연결의 매력을 한층 높여준다.
이러한 기능은 특히 PD 부문을 중심으로 USB를 위한 새로운 애플리케이션을 생성한다. 초저전력 처리를 위한 지속적인 움직임은 더 적은 전력으로 더 많은 것을 할 수 있음을 의미하며, USB 연결을 통해 사용할 수 있는 총전력양은 최대 100W이 될 수 있어(그림 1) 폭넓은 가능성을 열어준다. 그러나 이러한 잠재력을 실현하려면 실제로 이러한 수준의 전력을 제공할 수 있는 USB 컨트롤러가 필요하다.

[그림 1] USB 타입-C 전력 옵션

빠른 충전

PD 사양은 기존 BC(Battery Charge) 사양과 함께 작동하지만, VDM을 사용하면 추가 이점을 제공한다. 특히, 오늘날 주목할 만한 점은 퀄컴(Qualcomm)의 퀵 차지기능을 구현해 일부 스냅드래곤(Snapdragon) 프로세서에 기반한 스마트폰에 한층 빠른 충전 주기를 제공할 수 있는 높은 전력을 제공한다는 것이다. 다른 제조사들의 라이선스에도 이 기술을 사용할 수 있다. 현재 모토로라(Motorola)의 터보파워(TurboPower) 충전 기술과 미디어텍(MediaTek)의 펌프 익스프레스(Pump Express), 삼성의 고속 충전(Adaptive Fast Charging) 기술 등에 충전 프로토콜이 사용되고 있다.
알맞은 전원 어댑터를 사용하지 않을 경우, 스마트폰은 저속 충전 설정을 기본으로 하지만, 제조사의 자체 충전기나 공인 충전기를 사용할 경우 더 빠른 충전이 가능하다. 제조사 별로 사양은 다르지만, USB 3.1 PD 사양은 5V~12V 사이에서 최대 27W까지 제공할 수 있다.
USB 사용자 포럼(USB Implementers Forum)은 소비자들이 올바른 솔루션을 선택할 수 있도록 USB 고속 충전기를 포함하게끔 USB 충전기 규정 준수와 로고(Logo) 프로그램을 확장했다. 이 프로그램으로 인증된 충전기는 USB PD 3.0 사양의 PPS(Programmable Power Supply) 기능을 지원한다.
PD의 장점 중 하나는 USB로 전원이 공급되는 장치가 전원과 협상해 필요한 만큼의 전력량만 공급할 수 있다는 점이다. 여기에는 기본 전력보다 더 낮은 전력을 필요로 하는 장치가 포함되며, 이는 전원이 더 많은 장치에 전력을 공급하고 장치끼리 전력을 나누며 장치에 단순한 전력 이상을 공급할 수 있음을 의미한다. 예를 들어 디스플레이는 전원과 통신 채널 모두를 노트북과 외장 하드 드라이브에 제공할 수 있으며, 노트북이 디스플레이를 통해 그 하드 드라이브에 액세스 할 수 있도록 한다.

보조배터리

USB 인터페이스가 제공하는 BC 기능이 갖는 유비쿼터스(ubiquitous)한 특성은 수년간 보조배터리 제조사들을 지원해 왔다. 보조배터리는 전원 연결이 어려운 상황에서 추가 전력을 얻을 수 있는 편리한 방법을 제공하지만, BC에서 PD로의 이전은 새로운 세대의 보조배터리를 필요로 한다. PD가 가변 전력을 지원하는 것은 단순한 일반 전력 관리 IC나 레귤레이터를 주로 사용하는 기존 보조배터리 설계와 호환되지 않아 복잡성을 높인다.
고속 충전을 포함해 VDM을 사용하는 모든 기능을 지원하려면 보조배터리 제조사는 USB PD를 통해 기능을 제공할 수 있도록 설계된 지능형 컨트롤러로 전환해야 하며, 이는 온세미컨덕터가 제공하는 LC709501F와 같은 제품이 포함된다. 고도로 통합된 플래시(Flash) 기반의 구성 가능 기기는 다양한 USB 인터페이스를 통해 리튬-이온 배터리가 제공하는 전력을 관리하는데 필요한 모든 기능을 통합한다. 그림 2는 일반적인 애플리케이션 예시를 보여준다.

[그림 2] LC709501F를 사용하는 일반적 보조배터리 애플리케이션

온세미컨덕터가 개발한 펌웨어로 구성된 이 제품은 VDM 모드를 사용할 수 있도록 확장할 수 있어 제조사들은 고속 충전 기술 구현과 같은 추가 가치를 더할 수 있다.
이 제품은 외부 MOSFET을 직접 구동해 확장 가능한 전력을 제공하며, 스위칭 컨트롤러는 5V~12V의 필요 전압을 생성한다. 적절한 외부 MOSFET을 선택해 퀵 차지(Quick Charge) 3.0 고압 전용 충전 포트 (HVDCP) 클래스 A를 포함하는 모든 PD 기능이 지원된다. 벅/부스트 토폴로지로 USB 타입-C DRP와 USB BC1.2를 갖춘 보조배터리를 구현할 수 있으며, 네 개의 LED를 사용해 배터리 수준을 표현할 수 있는 배터리 상태 기능도 포함한다. 스마트폰 애플리케이션은 USB 3.x기능을 사용해 충전 상태와 주기, 충전/방전 시간 등 보조배터리에 대한 추가 정보를 제공할 수 있다.
평가 보드는 제조사가 LC709501F를 설계하고 가장 적합한 펌웨어 버전을 선택할 수 있도록 제공된다. 예를 들어 FW02는 추가 전원 출력을 위해 두 채널에서 타입-A 출력, 퀵 차지 3.0 HVDCP, 부스트(Boost) 자동 시작 및 외부 부스트 IC를 갖춘 마이크로-B(Micro-B) 입력을 지원하며, FW05는 DRP와 타입-A 출력, 부스트 자동 시작과 외부 부스트 IC를 갖춘 타입-C를 지원한다. 추가 펌웨어 버전은 다른 구성을 지원하도록 개발 중에 있다. 그림 3은 FW05가 제공하는 기능을 나타낸 것이다.

[그림 3] LC709501F용 FW05가 제공하는 기능 사례

제조사는 배터리 수준을 표시하기 위해 네 개의 LED를 직접 지원해 추가 마이크로컨트롤러를 사용할 필요가 없어 BOM 비용과 설계 복잡성이 줄어든다. 이 평가 보드(부품 번호 LC709501EVA05GEV)는 FW05를 구현하며, 그림 4와 같이 네 개의 모드를 지원한다.

[그림 4] 네 가지 FW05모드

새로운 유형의 컨트롤러

USB 타입 C와 PD 도입은 소비자와 제조사들에 상당한 이점을 제공할 것이나, 개발자들이 엔지니어링 팀의 요구사항에 따라 새로운 기능에 액세스 하는 방법을 배우는 과정에서 조정 기간이 발생할 것으로 보인다.
다중 출력 및 고속 충전을 포함해 PD를 완벽하게 지원하는 보조배터리를 개발하려면 USB3.x를 염두에 두고 개발된 새로운 유형의 컨트롤러가 필요하다. LC709501F는 개발자들이 USB PD를 더욱 간단하고 쉽게 액세스 할 수 있도록 만들기 위한 장치 제품군의 일환이며, 독보적 통합 수준을 제공한다. 대기 전류가 15μA(마이크로암페어) 정도로 매우 낮다는 점과 추가 컨트롤러의 필요성을 없앤 특징이 결합돼 이 모든 기능을 제공하면서 배터리 전력 소모를 최소화한다.
VDM 모드를 통해 컨트롤러를 구성할 수 있는 기능은 다소 부족한 성능을 가진 컨트롤러가 제공할 수 없는 추가적인 이점이다. 제조사들이 USB IF 사양을 완벽히 준수하면서도 차별화할 수 있는 능력을 제공한다.