USB Type-C 코드, 새로운 전력 공급 표준에 따라 올인원 케이블로 기대

수년간 이론상으로만 존재했던 내용이 새로운 표준으로 발표되면서 Type-C 커넥터에 대한 반응이 뜨겁지만, 우리가 주목해야 할 부분은 Type-C 커넥터의 수많은 특징들 가운데 핵심이 되는 USB 전력 공급 표준이다. 이에 대한 테스트 방법론에 대해 알아본다.

오늘날 익숙하게 사용되고 있는 USB Type-A, Type-B 커넥터들은 향후 수년에 걸쳐서 새롭게 발표된 USB Type-C 커넥터로 이동할 것이다. 이것은 단순한 외형적 변화를 훨씬 뛰어넘는 것으로, 이미 널리 사용되고 있는 연결 기술들인 DisplayPort(비디오용), MHL(오디오 및 비디오용) 및 Thunderbolt (데이터 및 비디오용) 등이 모두 USB Type-C 커넥터 채택을 발표했다.

소비자들은 다양한 형태의 커넥터들이 Type-C 커넥터 하나로 통합될 수 있을 것으로 기대하기 때문에 환영하는 분위기다. 그러나 소비자들이 이러한 변화를 더욱 반기는 또 다른 이유들도 많다. 즉, USB 커넥터를 위아래/앞뒤 구분없이 꽂을 수 있는 더 나은 편리성, 보다 높은 전력 공급 능력(최고 100W) 및 USB Type-C 커넥터를 사용하는 각각의 디바이스들이 전력 공급(Provider) 또는 전력 소비(Consumer) 역할을 할 수 있다는 것이다. 게다가, Type-C 커넥터는 기존 커넥터들에 비해 더욱 작다.

수년간 이론상으로만 존재했던 내용이 새로운 표준으로 발표되면서 Type-C 커넥터에 대한 반응이 뜨겁지만, 우리가 주목해야 할 부분은 Type-C 커넥터의 수많은 특징들 가운데 핵심이 되는 USB 전력 공급 표준이다. USB, DisplayPort, MHL 및 Thunderbolt의 최대 통신 속도는 20Gb/s다. USB 전력 공급 표준은 단지 300kHz에 의해서 동작하지만, Type-C 혁명의 핵심이 USB 전력 공급이라는 사실에는 변함이 없는 듯하다.

▲ 그림 1. USB Type-C 커넥터는 현재 보편적으로 사용되는 Type-A 및

B 커넥터들보다 외형적으로 크기가 작다.

전력 공급은 무엇인가? 

USB-IF 웹사이트에 의하면, USB 전력 공급 표준은 단일 케이블로 데이터와 함께 보다 유연한 전력 공급을 제공함으로써 USB의 기능이 극대화되도록 하는 것이다. 그것의 목적은 기존 USB 생태계를 기반으로 동작하는 것이다. Type-C 내부의 혁명을 고려해 볼 때, 전력 공급 사양이 점점 더 중요하게 된다. 전력 공급은 데이터 버스 라우팅을 설정하기 위한 케이블의 방향성을 해결하고, 부착된 2개의 포트 사이의 ‘호스트’ 및 ‘디바이스’ 역할을 설정하며, Vbus 핀을 발견 및 구성하고, Vconn을 구성하며, 선택적 대체 모드(Alternate Mode)들을 발견 및 구성한다. USB-IF 웹사이트의 한 예는 파워가 어떻게 구성될 수 있는지를 보여주는데, 배터리로 작동하는 디바이스가 실행하는 Type-C는 허브로부터 충전된 후에 필요한 경우 일시적으로 파워를 되돌려준다.

Type-C 커넥터에는 현재 24개의 핀이 있다. 이러한 핀들은 CC(Channel Configuration) 라인을 포함하는데, 이 라인은 전력 공급 협상을 위해 사용되는 싱글 엔드, BMC 인코딩된 4b/5b 신호다. CC 라인은 많은 전력 공급 테스트가 일어나는 곳이다.

대체 모드(Alternate Mode)의 개념에 관한 몇 가지의 상세 사항은 다음과 같다. 간단히 말해서, 그것은 Type-C 커넥터에서 USB 3.1 이외의 기술을 작동시키는 것을 말한다. 당연히 대체 모드는 실질적으로 전력 공급 기술에 의존하는데, 그 이유는 전력 공급 기술은 USB와 MHL, DisplayPort 및 Thunderbolt와 같은 기타 기술 간의 동작 모드 변환을 제공하기 때문이다.

전력 공급에 관한 많은 관심의 일부분은 보다 복잡해진 Type-C 커넥터로부터 기인한다. 이전에는 전력 교섭이 단순했다. 다시 말하면, 커넥터는 오로지 한쪽으로만 연결되고, 전력 관리는 복잡하지 않았으며, 단지 한 가지 기술만이 USB 커넥터에 사용됐다. 이제, Type-C 커넥터는 훨씬 더 스마트하게 파워를 관리한다. 이에 더해 디바이스는 어느 방향으로 커넥터의 플러그가 꽂히는지를 인식해야 한다. 만약 그 디바이스의 커넥터가 거꾸로 꽂혀있는데 똑바로 되어 있다고 인식한다면 제대로 동작하지 않을 것이다. 더욱 증가하는 복잡성은 더 많은 시험 스펙이 필요하다는 것을 의미한다.

전력 공급 사양은 공급 전력 추이(supply drift) 및 정하중(static load) 응답과 같은 이와 같은 요소들을 고려한다. 또한 고주파 과도(transients)와 노이즈 및 프로그램 가능한 레일(rail) 반응을 고려한다. CC 라인 하나만으로 아이 다이어그램(eye diagram) 테스트, 상승 시간 테스트 및 CRC 체크 등 새로운 수준의 테스트 전체를 수행한다. CC라인 상의 기타 테스트들 중의 일부에는 하강 시간 테스트, 전송 속도 테스트, 전압 스윙 테스트 및 프레임 간 간격 테스트가 포함된다. CC 라인은 또한 프로그램이 되고 있는 것이 실질적으로 라인을 통과하고 있는 것이라는 사실을 보장하기 위한 CC 라인의 모니터링과 함께, 전체 프로토콜 테스트를 받는다.

▲ 그림 2. USB-IF(USB Implementers Forum)에서 USB Type-C의 다양한 종류의 소켓(receptacles)을

발표했다.

테스트 방법론

오실로스코프 업체와 시험소가 협의해 전력 공급 사양 테스트를 위한 자동화 솔루션을 개발하기 시작했다. 그래파이트 리버 연구소는 현재 전력 공급 테스트 솔루션을 판매하고 있고, 얼마 안되서 다른 업체들도 그 뒤를 따를 것이다. 이와 같은 인증 애플리케이션들의 이점은 인증 시험을 위해 개발 엔지니어가 수많은 전력 공급 사양 테스트에 대해 깊이 이해할 필요가 없다는 것이다. 엔지니어들은 복잡한 테스트를 구성하는 것에 시간을 덜 빼앗기고 데이터 분석에 많은 시간을 투자할 수 있다.

전력 공급 컨트롤러는 전력 공급 테스트 사양에 있어 또 하나의 중요한 요소다. 이 컨트롤러는 디바이스를 Type-C 커넥터가 다룰 수 있는 다른 모드로 토글할 수 있게 한다. 현재 수많은 전력 공급 컨트롤러들이 시판되고 있으며 모두 다른 기능들을 지니고 있다.

▲ 그림 3. CC 라인은 단독으로 USB Type-C 동작을 검증하는 동안 완전히

새로운 차원의 검증을 제공한다. 예를 들어, 상승 시간 테스트 및 CRC 체크 뿐만

아니라, 여기에 묘사된 아이 다이어그램 테스트가 포함된다. USB Type-C 테스트

장치 제조사들은 Type-C 테스트를 위해 특별한 픽스처를 고안했는데, 그중 하나가

여기에 나타나 있다. (녹색 선)

Type-C의 기능을 검증하는 엔지니어들은 전력 공급 컨트롤러가 테스트 및 측정 회사의 인증 소프트웨어에 통합돼 있는지를 확인해야 한다. 컨트롤러와 인증 소프트웨어 간의 완전한 통합은 보다 향상된 테스트 자동화를 가능하게 한다. 전력 공급 컨트롤러는 최소한 Alt 모드 링크 교섭과 고속 PHY 테스트 등에 필요한 동작 모드 변환을 지원해야 한다.

테스트에 요구되는 하드웨어는 전력 공급 사양에 따라 다르다. 예를 들어, 오실로스코프 1대(예. 키사이트 10-비트 S-시리즈), 프로브 2개(예. 키사이트 1147B 전류 프로브 및 N2837A 패시브 프로브), 및 전력 공급 쿠폰 2개(그래니트 리버 연구소 또는 럭스쉐어와 같은 회사로부터 구입할 수 있는)가 포함된다. 앞서 언급한 그래니트 리버 연구소의 소프트웨어는 자동화 방식으로 모든 테스트들을 수행할 것이다. 전력 공급 컨트롤러는 자동화 테스트를 위해 각 개별 테스트에 요구되는 모드로 디바이스를 토글할 것이다.

보다 전형적인 전통 방식의 전력 공급 테스트에는 DC 파워 모듈, 파워분석기 및 DC Load를 포함한다. 

▲ 그림 4. 새로운 USB Type-C 사양의 핀은 앞뒤의 구분이 없다. 어떤 방향으로 연결돼도 정확하게 연결된다.

Type-C에는 많은 난제가 있다. 특히, 고려할 필요가 있는 두 가지 요소들은 전력 공급 추이와 전력 공급 버스를 가로질러 통과되는 부정확한 트래픽이다. CC 라인은 Type-C의 핵심적인 통신 및 데이터 교환 디바이스라는 점에 주목해야 한다. 그렇기 때문에, CC 라인에 쉽게 액세스할 수 있도록 픽스처가 설계돼야 한다.

키사이트의 N8837A USB-PD 프로토콜 및 트리거 소프트웨어와 같은 툴을 이용하면 테스트에 사용되는 S-시리즈 스코프를 통해 트래픽을 모니터할 수 있다. N8837A 소프트웨어는 통합된 프로토콜 레벨 트리거들에 대한 접근을 가능하게 한다. 이 애플리케이션은 USB-PD에 특화된 프로토콜 레벨 트리거 컨디션을 포함한다.

직렬 트리거가 선택될 경우, 애플리케이션은 Infiniium S-시리즈 스코프 내부의 실시간 트리거링 하드웨어를 인에이블 한다. 하드웨어 기반의 트리거는 스코프가 트리거 이벤트를 결코 놓치지 않도록 보장한다. 이 하드웨어는 스코프나 디지털 채널을 사용해 신호를 획득하고 프로토콜 프레임을 재구성한다. 그다음, 특정 프로토콜 레벨 트리거 컨디션을 기준으로 프로토콜 프레임을 검증한다.

전력 공급 드리프트 측면으로부터, Type-C 커넥터는 최대 100W의 전력(20A에서 5V)을 지원한다. 디바이스는 일반적으로 이러한 전력을 다루도록 설계되지는 않았고, 따라서 전력 공급을 테스트하는 것이 점점 더 중요해진다. 전력 공급 드리프트는 낮은 노이즈와 높은 DC 오프셋을 특징으로 하는 장비로 쉽게 모니터할 수 있다. 이 카테고리에는 키사이트의 N7020A 전압 레일 프로브를 포함해 많은 후보군이 있는데, 모두 최대 20V까지의 DC 오프셋을 제공한다.

향후 수년 동안 많은 고속 디지털 표준이 Type-C로 이동할 것이다. 고속의 환경이 아니더라도, 전력 공급은 Type-C 커넥터의 핵심이 된다. 이는 커넥터에 유연성을 극대화하는 기술이다. 그 결과, 300kHz에서 동작하는 이 기술은 오늘날 고속 디지털 산업에서 가장 각광받는 기술들 중의 하나가 됐다.

브릭 애새이(Brig Asay) _ 키사이트 테크놀로지스