설계 솔루션: USB-C 파워 딜리버리 데이터 라인에 향상된 보호 필요

설계 솔루션: USB-C 파워 딜리버리 데이터 라인에 향상된 보호 필요

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설명문:

USB-C는 휴대용 전자기기의 보호에 있어 새로운 도전에 직면하였습니다. 완벽한 기능을 갖춘 2 X SPDT 스위치가 최소한의 BOM 및 PCB 공간 점유로 이러한 문제를 해결합니다.

키워드:

USB-C, 데이터 라인, 서지 보호, ESD 보호n, 과전압 보호, 단락 보호

요약

USB-C 및 USB-C 파워 딜리버리는 전압 및 전력 레벨을 높입니다. USB 마이크로-B의 핀 간격보다 더 촘촘한 새로운 양면 커넥터는 단락의 위험을 높입니다. 이는 휴대용 장비의 증가하는 복잡성과 결합되어 ESD, 서지 및 과전압 보호 요구 사항의 향상을 초래합니다. 이 설계 솔루션에서는 획기적으로 BOM을 낮추고 PCB 공간 점유도 줄일 수 있는 작고, 완벽한 기능의 보호 IC를 제안합니다.

서론

새로운 USB Type-C®(USB-C) 케이블 및 커넥터 사양은 디지털 카메라 및 초박형 태블릿과 같은 전자 장치를 서로 연결하고 전원을 공급하는 방식을 획기적으로 간소화합니다 (그림 1). 사양은 최대 15W의 USB-C 충전 애플리케이션과 충전을 최대 100W까지 확장한 USB-C 파워 딜리버리(PD)를 지원하며, 서로 바꿔 충전할 수 있는 매우 다양한 장치들을 포함하고 있습니다. USB Type-C의 사용은 시스템 보호에 있어 새로운 도전입니다. 새로운 커넥터의 핀 가격은 USB 마이크로-B보다 더 작아서 VBUS에 대한 기구적인 단락의 위험이 증가하게 됩니다. 또한, USB PD와 연관된 고전압으로 인해 보다 강력한 보호가 필요합니다. 그리고 마지막으로, 계속해서 증가하는 전자 부하의 복잡성은 ESD 및 전압 서지로부터의 향상된 보호를 요구합니다. 이 설계 솔루션에서는 USB Type-C PD 아키텍쳐와 D+/D- 데이터 신호 보호와 관련된 문제를 검토합니다. 그런 다음 최소한의 BOM과 PCB 공간 점유로 이런 문제를 해결할 수 있는 고집적 2 X SPDT를 제안합니다.

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그림 1. USB-C 케이블로 태블릿에 연결된 디지털 카메라.

USB-C PD 시스템

그림 2는 USB-C 케이블을 연결할 수 있도록 만들어져 리튬 이온(Li+) 배터리로 전원을 공급하는 휴대용 전원 관리 장치의 전면을 보여줍니다.

VBUS가 공급되면 충전기, 시스템 및 나머지 블록에 전원을 공급합니다. 이 단계에서 배터리가 충전됩니다. VBUS의 연결이 끊어지면 배터리가 시스템에 전원을 공급합니다. USB-C 케이블이 연결되면, CC1 및 CC2 핀은 포트 연결, 케이블 (연결)방향, (데이터)역할 감지 및 포트 제어를 결정합니다. D+/D- 라인은 480Mbps의 속도로 데이터를 처리하는 표준 USB-C 통신 라인으로 D+/D- 보호 소자로 보호되고 있습니다. PD 컨트롤러는 파워 딜리버리 프로토콜을 실행합니다.

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그림 2. USB PD 전원 관리 시스템.

보호 과제

전원 공급 장치에서 전기 서지 및 정전기 방전(ESD)은 일반적이며 전자 부하 및 장비에 간섭을 일으키거나 손상을 줄 수 있습니다. ESD는 정전하가 인체에서 전자 회로로 이동함에 따라 발생하며 휴대용 전자 장치에 있어 큰 고민거리입니다. 서지는 번개에 의해 발생하거나 번개가 치는 곳 가까이 놓인 긴 케이블에서 유도될 수 있습니다. 스위치 또는 릴레이는 온/오프 동작 중 서지를 유발할 수 있습니다. 그리고 로드 덤프는 자동차에서 배터리 연결을 끊음으로써 발생하는 서지입니다. 뛰어난 데이터 라인 보호 IC는 상당한 데이터 성능 저하 없이도 적절한 보호를 제공해야 합니다.

통합 솔루션

예를 들어, MAX20334는 휴대용 장치와 함께 사용하도록 만들어진 과전압 보호 기능이 있는 2 x SPDT 스위치입니다 (그림 3). 이 IC는 고전압 단락, ESD 또는 서지 발생으로부터 하향 데이터 라인을 보호하도록 설계되었습니다. 이 소자는 휴대용 전자제품에서 고성능 스위칭 애플리케이션에 필요한 낮은 ON-커패시턴스와 낮은 ON-저항을 겸비하고 있습니다. 이 IC는 내부 과전압 및 서지 보호 기능을 갖추고 있습니다. 이 소자는 저속/풀/고속 모드 신호를 처리할 수 있으며 2.7V에서 5.5V 전원으로 동작합니다. 이 IC는 1.23mm x 1.63mm 크기의 12-볼 웨이퍼 레벨 패키지(Wafer-Level Package, WLP)로 나오며 -40°C에서 +85°C의 확장된 온도 범위에서 동작합니다.

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그림 3. 확장된 보호 기능이 있는 2 x SPDT 스위치.

확장된 보호

취급 및 조립 시 마주하게 되는 최대 ±2kV(인체 모델)의 정전기 방전으로부터 보호하기 위해 ESD 보호 구조가 모든 핀에 포함되어 있습니다. COMA와 COMB (그림 2와 3)는 최대 ±15kV(인체 모델), ±15kV (IEC 61000-4-2에 기술된 비 접촉 방전 방식) 및 ±8kV (IEC 61000-4-2에 기술된 접촉 방전 방식)의 ESD로부터 손상 없이 한층 더 보호됩니다. 이 ESD 구조는 장치가 정상 동작 중이거나 꺼져 있을 때 모두에서 높은 ESD를 견딥니다. ESD 발생 후, IC는 래치 업 현상 없이 계속해서 동작합니다. 이 IC는 -30V에서 +45V(IEC61000-4-5)까지의 서지로부터 보호되며 최대 +20.5V의 과전압으로부터 보호됩니다.

그림 4는 이 고집적 되고 확장된 보호 솔루션의 PCB 레이아웃을 양 전압의 서지만 보호하고 낮은 과전압 및 ESD 보호 기능을 제공하는 일반적인 경쟁 소자와 비교하고 있습니다. 후자는 ESD/서지/과전압 사양을 만족하기 위해 추가 회로가 필요하므로, BOM 비용이 늘어나고 PCB 활성 영역의 점유가 5배는 더 커집니다.

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그림 4. 확장된 보호의 이점.

데이터 무결성

그림 5의 아이 다이어그램(eye diagram)은 파란색 곡선이 금지된 적색 영역으로부터의 최대 거리에 가깝게 유지함으로써 뛰어난 수준의 무결성인 데이터 신호를 한 눈에 보여줍니다. 보호 IC의 높은 대역폭은 신호의 상승 및 하강 시간 지연과 지터를 최소화하여 에러에 대한 우수한 마진을 가능케하므로 USB 인증 시험을 통과하는 데 중요합니다.

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그림 5. D+/D- 아이 다이어그램.

결론

USB Type-C의 사용은 디지털 카메라와 초박형 태블릿과 같은 전자 장치들의 상호 연결, 전원 공급 및 보호에 있어서 새로운 도전입니다. 새로운 커넥터의 핀 가격은 USB 마이크로-B보다 더 작아서 VBUS에 대한 기구적인 단락의 위험이 증가하게 됩니다. 또한, USB PD와 연관된 고전압으로 인해 보다 강력한 보호가 필요합니다. 그리고 마지막으로, 계속해서 증가하는 전자 부하의 복잡성은 ESD 및 전압 서지로부터의 향상된 보호를 요구합니다. 이 설계 솔루션에서, 우리는 데이터 라인을 단독으로 보호할 수 있으며 덜 집적된 소자에 비해 낮은 BOM과 작은 PCB 활성 영역 점유로 ESD/서지/과전압 사양을 만족할 수 있는, 최대 ±15kV ESD 보호, -30V에서 +45V의 서지 보호 및 +20.5V 과전압 보호 기능이 있는 향상된 보호 소자를 제시하였습니다.

추가 정보
MAX20334 Overvoltage and Surge-Protected Dual SPDT Data Line Switch
MAX20334EWC+
MAX20334EWC+T

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저자 정보:
Nazzareno (Reno) Rossetti는 Maxim Integrated의 아날로그 및 전원 관리 전문가입니다. 그는 이 분야에 여러 특허를 가진 책을 출간한 작가이기도 합니다. 이탈리아 Politecnico di Torino에서 전기공학 박사학위를 받았습니다.
Josh Fankhauser는 Maxim Integrated에서 산업용 통신 솔루션을 담당하고 있는 산업 및 의료 사업부서의 비지니스 매니저입니다. Josh는 University of California-Los Angeles에서 신소재 공학 석사 학위를 받았습니다.

그림 5에 대한 Bob Kelly의 도움에 감사드립니다.



영문 원본: Design Solution USB-C Power Delivery Data Lines Demand Enhanced Protection