[헬로티]

지난 10년간 차량용 인포테인먼트 시스템의 기능이 크게 변화했다. 주요 자동차 매체가 선정한 차량 내 주요 기능 순위를 보면 2009년에는 내장형 내비게이션 시스템과 DVD 플레이어가 상위 5위 안에 들었다. 그러나 스마트폰 인기가 높아지면서 내장형 내비게이션 시스템은 밀려났고, 안드로이드 오토(Android Auto), 애플 카플레이(Apple CarPlay) 등 스마트폰 인터페이스와 급속 USB 충전 등과 같은 운전자 편의 기능이 상위권을 점령했다.

이러한 기능을 구현시키는 공통적인 한 가지 핵심 기술이 바로 USB이다. 일반 소비자에게도 잘 알려져 있는 USB 기술은 업계 대표 표준화 기구인 USB-IF에서 새로운 규격을 정립하고 있으며, 시스템 개발자는 USB 기술의 가치 및 효용성을 계속해서 찾아내고 있다.

최상위 자동차 OEM 및 Tier 1 부품 공급업체에서 근무하는 엔지니어들은 몇 년 전부터 제품 설계에 이와 같은 편의 기능을 통합하여 추가하고 있다. 스마트폰 애플리케이션의 지속적인 발전, 차량에 사용되는 대역폭 확대, 전자 기기의 충전 속도 가속화에 대한 소비자 수요 상승 등으로 인해 이러한 트렌드는 앞으로도 계속될 전망이다.

USB는 차량 내 스마트폰 인터페이스에서 단말기 디스플레이나 데이터를 헤드 유닛으로 스트리밍하기 위한 전송 계층(Transport layer)으로 사용된다. 충전 속도 향상과 관련하여 전력 계약 협상/체결 방법과 소비자 디바이스에 전달하는 전력 수준을 정하는 것이 바로 USB 파워딜리버리(PD) 규격이다. 

USB 사양, 컴플라이언스 테스트 및 USB 칩은 대부분의 힘든 작업들을 수행하도록 설계되지만, 헤드 유닛 하드웨어 및 소프트웨어, 미디어 허브 등을 비롯한 전체 구성요소의 시스템 통합도 반드시 구현해야 한다.

이전보다 훨씬 많은 대역폭으로 차량용 데이터 전송이 요구됨에 따라, USB 3.1은 인포테인먼트 시스템의 인덱싱 시간을 단축하는 데 필요한 빠른 데이터 전송 속도를 제공한다. 개발자가 USB 3.1을 설계에 구현하는 데 도움이 되는 주요 설계 고려사항을 살펴보겠다.

USB 3.1 시스템 설계 시 주요 고려 사항

다음 기술 단계까지 고려하여 시스템을 최종적으로 완성하기 위해 필요한 여러 요인들은 다음과 같다.

• 대역폭 요구 사항(USB 2.0 Hi-Speed 또는 USB 3.1 SuperSpeed)
• 모바일 애플리케이션 지원 필요(필요한 호스트/디바이스 스와핑 기능)
• 필요한 포트 개수 및 유형(1개, 2개, 3개 또는 4개 / Type A 또는 Type™ C)
• 하드웨어 인터페이스 유형(USB 호스트 또는 USB 호스트/디바이스 포트)
• USB 충전 전력 레벨(1.5A, 2.0A, 3.0A 등)

▲ USB 시스템 설계 시 고려 요인. (사진 : 마이크로칩)

이러한 점 때문에 OEM 업체가 시스템 아키텍처를 변경하지 않고도 기능을 추가할 수 있는지 여부가 중요하다. 마이크로칩은 OEM업체가 아키텍처를 그대로 유지하면서 시스템을 마이그레이션 할 수 있도록 일관된 시스템 통합 테마를 지원하는 광범위한 차량용 USB 포트폴리오를 개발했다.

일례로, 헤드 유닛의 USB 호스트 전용 포트에 연결하는 USB 2.0 솔루션을 사용하는 OEM업체의 경우 호스트 리플렉터(Host Reflector) 기능과 같은 USB 호스트 포트 솔루션만 필USB 3.1 솔루션으로 손쉽게 마이그레이션 할 수 있다. 두 가지 솔루션 모두 CDC(통신 디바이스 클래스), NCM(네트워크 제어 모델)과 같은 네이티브 USB 클래스 드라이버를 통해 애플 카플레이를 지원한다.

따라서 모바일 인터페이스 애플리케이션 출시를 포함하여 USB 2.0 솔루션에서 완료된 작업은 두 가지 칩 모두에 대해 동일할 수 있다. 마찬가지로 마이크로칩은 디바이스와 호스트 양 측 모두로 허브 포트의 기능을 교환 할 수 있는 플렉스커넥트(FlexConnect)라는 기능을 통해 헤드 유닛상에서 USB 호스트·디바이스 연결을 지원한다.

개발자는 이 모든 것을 고려하여, 카플레이를 실행 중인 아이폰의 호스트/디바이스 스와핑 지원을 위해 플렉스커넥트를 사용하거나 다중 호스트 리플렉터를 사용하는 방법 중 선택할 수 있다. 두 가지 방법 간 주요 차이점 중 하나는 카플레이 세션에 적용할 수 있는 대역폭의 양에 있다. 

카플레이 실행 중 USB 호스트의 역할을 하는 아이폰은 플렉스커넥트 적용 시 USB 2 대역폭(480 Mbps)을 마음대로 사용할 수 있고, 다중 호스트 리플렉터를 적용하면 아이폰은 헤드 유닛의 USB 호스트와 480 Mbps 대역폭을 공유하게 된다. 

시스템 설계자는 시스템 요구 사항에 가장 적합한 방법을 선택해야 한다. 두 경우 모두 커스텀 드라이버는 필요하지 않다. USB 2.0과 USB 3.1 차량용 허브 모두 다중 호스트 리플렉터와 플렉스커넥트 기능을 제공한다.

이러한 이유로 미디어 허브가 장착된 인포테인먼트 헤드 유닛 시스템은 기능 칩 블록 관점에서USB 2.0 Hi-Speed에서 USB 3.1 SuperSpeed로 쉽게 마이그레이션 할 수 있다. 일관된 기능 세트(Feature Set)와 USB 클래스 드라이버를 통해 시스템 검증 작업, 설계 리스크, 출시 기간 등을 줄이는 동시에 동일한 사용자 애플리케이션 지원을 제공한다.

USB 2.0에서 USB 3.1로 마이그레이션 시 고려해야 할 장단점

USB 2.0에서 USB 3.1로의 마이그레이션은 간단하게 실행 가능하지만, USB 3.1 SuperSpeed 솔루션으로의 마이그레이션 시에는 몇 가지 항목을 검토해야 한다. 그중에서도 가장 중요한 것은 5Gbps 데이터 스트림과 480Mbps 데이터 스트림 지원 사이의 근본적인 차이점이다. 

PCB 설계, 부품 배치, 커넥터 품질, 케이블 거리 등은 모두 신호 무결성에 영향을 미칠 수 있다. 초기 구현의 경우 대용량을 통한 절감 효과와 규모의 경제가 달성될 때까지는 높은 케이블 비용과 구성요소 비용을 감안해야 한다. 달성 가능한 전체 성능과 대역폭은 이들 요인을 기준으로 측정해야 한다.

USB 파워딜리버리(PD) 3.0을 지원하는 Type™-C 포트의 경우 포트별로 최대 100W까지 충전할 수 있으므로 적절한 제어 기능이 있는 일관된 아키텍처를 제공하는 것이 중요하다. 시스템이 제대로 동작하고 장기적으로 신뢰도를 확보하기 위해서는 온도 제어가 반드시 필요하고 경우에 따라 적절한 차단 메커니즘도 필요하다.

마이크로칩은 동일한 아키텍처를 유지하는 USB 2.0과 USB 3.1을 대상으로 일관적인 기능 블록 다이어그램을 개발했다. 허브에 통합된 마이크로컨트롤러는 파워딜리버리 스택을 실행하고 포트 컨트롤러와 연결하며 미디어 허브의 전력면(Power Plane)을 관리한다. 중앙집중식 마이크로컨트롤러가 내장된 이 아키텍처는 파워딜리버리 스택, USB 포트 간 실시간 전력 균형 유지뿐 아니라 별도의 보조 배터리 간 전력 조절을 통한 열 응답과 여러 가지 기능을 동시에 수행할 수 있다.

▲ 마이크로칩이 최근 발표한 USB7002 블록 다이어그램에는 USB 2.0 스마트허브와 동일한 아키텍처가 포함되어 있어 손쉬운 시스템 마이그레이션이 가능하다. (사진 : 마이크로칩)

이에 반해 각 포트 별로 구축하는 USB 파워딜리버리 솔루션의 경우, 전력 밸런싱, 전력 조절, 온도 제어를 수행하는 별도의 제어 기능을 디스크리트(discrete) 마이크로컨트롤러에 통합해야 한다. 이러한 이유로 마이크로칩은 스마트허브 제품군에 항상 통합 마이크로컨트롤러를 포함시키고 있다. 

통합 마이크로컨트롤러의 경우 BoM(Bill of Materials) 상의 추가 비용을 최소화하면서도 이러한 기능을 지원하기 때문이다. 마지막으로 전력 밸런싱과 열 알고리즘을 플랫폼 간 마이그레이션 하거나 차량 기종별 요구에 맞춰 조정할 수 있다. 예를 들어 픽업 트럭의 전력 밸런싱 모델은 세단과는 다를 수 있다.

모바일 인터페이스 애플리케이션의 인기가 갈수록 높아지면서 점점 더 많은 대역폭과 더 빠른 충전의 필요성이 커지고 있으므로, 시스템의 장단점을 고려하는 것이 중요하다. 여기에는 필요한 USB 기술의 전체적인 속도, 사용 가능한 헤드 유닛 USB 포트, 모바일 인터페이스 애플리케이션에 필요한 대역폭, 제공하고자 하는 파워딜리버리 사례, 유지 관리가 필요한 소프트웨어·드라이버 구조 및 총 시스템 비용과 출시 기간 등이 포함된다.

마이크로칩은 USB 2.0 Hi-Speed와 USB 3.1 SuperSpeed를 모두 포괄하는 차량용 USB 스마트허브 제품 포트폴리오를 보유하고 있다. 이들 칩에는 공통 시스템 구현 요소를 갖춘 일관된 기능 세트가 내장되어 있어, 개발자가 필요에 따라 시스템을 맞춤화 할 수 있는 동시에 진화하는 인포테인먼트 에코시스템을 위하여 설계 리스크와 제품 출시 기간을 최소화하는 마이그레이션 경로를 제공한다.

글 / 데이브 스로카(Dave Sroka) 마이크로칩테크놀로지 오토모티브 USB 제품 마케팅 매니저