USB 3.1 타입 C 전력 기기에 맞는 벅 컨버터
새로운 USB 3.1 타입 C 표준은 전자기기의 연결을 획기적으로 단순화시킨다. 이 표준으로 동일한 타입 C 케이블을 이용해 두 기기 간 데이터 및 전력 전송을 할 수 있다.
- 나자레노 로제티(Nazzareno Rossetti) 아날로그·전력관리 전문가 및 저자
- 메디 코탄(Mehdy Khotan) 모바일 그룹 비즈니스 관리 전무
[그림 1] USB 3.1 타입 C 케이블
USB 3.1 타입 C는 전자제품 간 높은 데이터 전송률과 더욱 강력한 전력 공급을 지원하는 새로운 표준이다. USB 3.1은 10Gbps의 데이터를 전송하면서 표준 케이블에서 최대 3A 강화 케이블에서 최대 5A의 전류를 전송한다. 모선 전압(bus voltage)은 최대 20V(표준 케이블에서 3A로 60W 또는 강화 케이블에서 5A 로 100W)로 조정한다. 오늘날 많은 노트북이 100W 미만의 전력을 사용해 타입 C 커넥터를 채택한 새로운 모델은 소형 기기 충전 방식인 USB 포트로 충전할 수 있다.
USB 3.1 타입 C 표준이 복잡하기 때문에 전력을 전송하기 전에 기기가 전력 공급자(소스)인지 전력 사용자(싱크)인지를 따져봐야 한다. 따라서 타입 C 케이블은 전력과 데이터의 이동 경로를 정확히 알기 위한 추가 회로가 필요하다. 타입 C 케이블 양 끝에 위치한 커넥터는 똑같이 생겼기 때문에 양쪽으로 플러그를 꽂을 수 있다. 또한 각 커넥터는 위 아래 구분 없이 사용할 수 있어 어느 방향으로든 플러그를 꽂는 것이 가능하다. 타입 C USB는 양방향 전력이 가능해 주변 장치를 충전할 수 있고 같은 기기에서 호스트 기기를 충전할 수도 있다. 이에 따라 여러 개 전용 전원 어댑터 및 USB 케이블이 있을 필요가 없어지면서 궁극적으로 데스크톱 주변에 미로처럼 얽혀 있는 케이블을 줄일 수 있다.
노트북 전력 관리 프론트 엔드는 USB 타입 C 케이블을 연결하고 3개의 리튬이온 배터리(7.2V~ 12.6V 공급 전압 제공) 스택으로 전원을 공급받는다.
[그림 2] USB 3.1 타입 C 전력 관리 시스템
전력관리칩(PMIC)은 배터리에서 직접 전력을 공급받지만 상시 전원 (Alaways-on) 벅 컨버터는 배터리나 USB 소스의 쇼트키(Schottky) 다이오드에서 전력을 공급받는다. 전력을 공급받은 상시 전원 벅 컨버터는 다시 호스트 시스템 마이크로프로세서(µP)와 전력 공급원 간 전력 교환을 중재하는 기기인 포트 컨트롤러에 전력을 공급한다. USB가 연결될 때 벅 충전기가 배터리를 충전한다. 방전된 배터리는 다음과 같은 단계를 거쳐 재충전된다.
1단계 – 배터리 방전
2단계 – USB 타입 C 케이블 연결
3단계 – USB 타입 C 케이블은 연결을 감지하고 초기 5V를 공급한다
4단계 – 상시 전원 컨버터가 작동하면서 포트 컨트롤러에 전원을 공급한다
5단계 – 포트 컨트롤러는 전력 요구조건을 확인한다. (예: 5A 20V)
6단계 – 시스템은 USB 타입 C 케이블을 통해 필요한 전력을 공급받는다
7단계 – 벅 충전기가 배터리 충전을 시작한다
상시 전원 벅 컨버터는 모든 단계에서 중요한 역할을 담당한다. 초기에 USB로 공급받은 상대적으로 낮은 입력 전압(쇼트키 다이오드 강하 전압을 제외한 5V)으로 3.3V를 공급한다. 정상적으로 동작하는 동안 전력 공급원은 언제든 기능을 변경할 수 있고 이는 싱크 기기가 재조정을 할 수 있게 한다. 이를 위해 벅 컨버터는 항상 ‘온(on)’ 상태가 되어야 한다. 따라서 상시 전원 벅 컨버터는 최소 전력을 소비하는 것이 좋다.
MAX77596은 통합 스위치(그림 3의 T1과 T2)가 있는 소형 동기식 벅 컨버터다. MAX77596 벅 컨버터는 3.5V ~ 24V 입력 전압으로 최대 300mA의 전류를 공급하면서 부하가 없을 때 단 1.1µA의 대기 전류를 사용(고정 출력 버전)하도록 설계되었다. MAX77596은 98% 듀티 사이클로 작동해 배터리로 움직이는 애플리케이션에 이상적이다.
MAX77596은 3.3V 및 5V 고정 출력 버전과 조정 가능한 버전도 제공한다. 조정 가능한 벅 컨버터는 저항-분배(resistor-divider)를 사용해 출력 전압을 1~10V로 프로그램밍할 수 있게 한다. 주파수는 1.7MHz로 고정되어 소형의 외부 수동 소자를 지원하고 출력 리플이 감소한다. 온칩 전력 트랜지스터 스위치 덕분에 부품 사용을 줄일 수 있다. MAX77596은 강압(forced) PWM 및 스킵(skip) 동작 모드를 모두 제공한다. MAX77596은 소형(2mm x 2.5mm) 10-핀 TDFN 패키지로 이용 가능하고 40°C ~ +85°C 온도에서 동작한다.
상시 전원 기기는 절대 정지되면 안되기 때문에 낮은 대기 전류가 매우 중요하다. MAX77596 고정 출력 버전은 내부 회로 대부분이 VOUT 핀(그림 3 IBIAS)에서 바이어스(bias)된다.
[그림 3] MAX77596 벅 컨버터 고정 출력
이런 방식으로 하면 입력 핀에서 소비 전류가 1.1µA(ISUP) 밖에 나오지 않는다. [그림 4]는 공급 전류(ISUP)의 온도에 따른 변화를 보여준다.
[그림 4] 온도에 따른 무부하 공급 전류 변화
MAX77596은 이 같은 바이어스 방식으로 낮은 대기 전류 동작 측면에서 동급 최강을 자랑한다.
낮은 저항의 통합 MOSFET 스위치는 심지어 높은 1.7Mz 동작 주파수에서도 고 효율성을 구현한다. MAX77596은 경쟁 기기에 비해 최대 5%의 높은 효율성을 보인다.
[그림 5] 효율성 비교
USB 3.1 타입 C 표준은 단일의 타입 C 케이블로 더 많은 기기에 더 많은 전력을 전송한다. 소스 기기와 싱크 기기 간 반드시 필요한 응답확인방식(handshake)의 핵심 부품은 포트 컨트롤러에 전원을 공급하는 상시 전원 벅 컨버터이다. MAX77596은 동급 최강의 낮은 대기전류와 고 효율성을 자랑하며 USB 타입 C 애플리케이션을 지원하는 이상적인 벅 컨버터이다.
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- 나자레노 로제티(Nazzareno Rossetti) 아날로그·전력관리 전문가 및 저자
- 메디 코탄(Mehdy Khotan) 모바일 그룹 비즈니스 관리 전무
[그림 1] USB 3.1 타입 C 케이블
USB 3.1 타입 C 표준이 복잡하기 때문에 전력을 전송하기 전에 기기가 전력 공급자(소스)인지 전력 사용자(싱크)인지를 따져봐야 한다. 따라서 타입 C 케이블은 전력과 데이터의 이동 경로를 정확히 알기 위한 추가 회로가 필요하다. 타입 C 케이블 양 끝에 위치한 커넥터는 똑같이 생겼기 때문에 양쪽으로 플러그를 꽂을 수 있다. 또한 각 커넥터는 위 아래 구분 없이 사용할 수 있어 어느 방향으로든 플러그를 꽂는 것이 가능하다. 타입 C USB는 양방향 전력이 가능해 주변 장치를 충전할 수 있고 같은 기기에서 호스트 기기를 충전할 수도 있다. 이에 따라 여러 개 전용 전원 어댑터 및 USB 케이블이 있을 필요가 없어지면서 궁극적으로 데스크톱 주변에 미로처럼 얽혀 있는 케이블을 줄일 수 있다.
노트북 전력 관리 프론트 엔드는 USB 타입 C 케이블을 연결하고 3개의 리튬이온 배터리(7.2V~ 12.6V 공급 전압 제공) 스택으로 전원을 공급받는다.
[그림 2] USB 3.1 타입 C 전력 관리 시스템
전력관리칩(PMIC)은 배터리에서 직접 전력을 공급받지만 상시 전원 (Alaways-on) 벅 컨버터는 배터리나 USB 소스의 쇼트키(Schottky) 다이오드에서 전력을 공급받는다. 전력을 공급받은 상시 전원 벅 컨버터는 다시 호스트 시스템 마이크로프로세서(µP)와 전력 공급원 간 전력 교환을 중재하는 기기인 포트 컨트롤러에 전력을 공급한다. USB가 연결될 때 벅 충전기가 배터리를 충전한다. 방전된 배터리는 다음과 같은 단계를 거쳐 재충전된다.
1단계 – 배터리 방전
2단계 – USB 타입 C 케이블 연결
3단계 – USB 타입 C 케이블은 연결을 감지하고 초기 5V를 공급한다
4단계 – 상시 전원 컨버터가 작동하면서 포트 컨트롤러에 전원을 공급한다
5단계 – 포트 컨트롤러는 전력 요구조건을 확인한다. (예: 5A 20V)
6단계 – 시스템은 USB 타입 C 케이블을 통해 필요한 전력을 공급받는다
7단계 – 벅 충전기가 배터리 충전을 시작한다
상시 전원 벅 컨버터는 모든 단계에서 중요한 역할을 담당한다. 초기에 USB로 공급받은 상대적으로 낮은 입력 전압(쇼트키 다이오드 강하 전압을 제외한 5V)으로 3.3V를 공급한다. 정상적으로 동작하는 동안 전력 공급원은 언제든 기능을 변경할 수 있고 이는 싱크 기기가 재조정을 할 수 있게 한다. 이를 위해 벅 컨버터는 항상 ‘온(on)’ 상태가 되어야 한다. 따라서 상시 전원 벅 컨버터는 최소 전력을 소비하는 것이 좋다.
MAX77596은 통합 스위치(그림 3의 T1과 T2)가 있는 소형 동기식 벅 컨버터다. MAX77596 벅 컨버터는 3.5V ~ 24V 입력 전압으로 최대 300mA의 전류를 공급하면서 부하가 없을 때 단 1.1µA의 대기 전류를 사용(고정 출력 버전)하도록 설계되었다. MAX77596은 98% 듀티 사이클로 작동해 배터리로 움직이는 애플리케이션에 이상적이다.
MAX77596은 3.3V 및 5V 고정 출력 버전과 조정 가능한 버전도 제공한다. 조정 가능한 벅 컨버터는 저항-분배(resistor-divider)를 사용해 출력 전압을 1~10V로 프로그램밍할 수 있게 한다. 주파수는 1.7MHz로 고정되어 소형의 외부 수동 소자를 지원하고 출력 리플이 감소한다. 온칩 전력 트랜지스터 스위치 덕분에 부품 사용을 줄일 수 있다. MAX77596은 강압(forced) PWM 및 스킵(skip) 동작 모드를 모두 제공한다. MAX77596은 소형(2mm x 2.5mm) 10-핀 TDFN 패키지로 이용 가능하고 40°C ~ +85°C 온도에서 동작한다.
상시 전원 기기는 절대 정지되면 안되기 때문에 낮은 대기 전류가 매우 중요하다. MAX77596 고정 출력 버전은 내부 회로 대부분이 VOUT 핀(그림 3 IBIAS)에서 바이어스(bias)된다.
[그림 3] MAX77596 벅 컨버터 고정 출력
이런 방식으로 하면 입력 핀에서 소비 전류가 1.1µA(ISUP) 밖에 나오지 않는다. [그림 4]는 공급 전류(ISUP)의 온도에 따른 변화를 보여준다.
[그림 4] 온도에 따른 무부하 공급 전류 변화
MAX77596은 이 같은 바이어스 방식으로 낮은 대기 전류 동작 측면에서 동급 최강을 자랑한다.
낮은 저항의 통합 MOSFET 스위치는 심지어 높은 1.7Mz 동작 주파수에서도 고 효율성을 구현한다. MAX77596은 경쟁 기기에 비해 최대 5%의 높은 효율성을 보인다.
[그림 5] 효율성 비교
USB 3.1 타입 C 표준은 단일의 타입 C 케이블로 더 많은 기기에 더 많은 전력을 전송한다. 소스 기기와 싱크 기기 간 반드시 필요한 응답확인방식(handshake)의 핵심 부품은 포트 컨트롤러에 전원을 공급하는 상시 전원 벅 컨버터이다. MAX77596은 동급 최강의 낮은 대기전류와 고 효율성을 자랑하며 USB 타입 C 애플리케이션을 지원하는 이상적인 벅 컨버터이다.
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