USB-C와 SuperSpeed: 실전 입문
USB-C는 속도가 아니다. USB-C는 두 가지 역할, 전력 협상 프로토콜, 그리고 선택적으로 두 개의 추가 고속 페어를 갖춘 24핀 커넥터다. 이를 혼동하는 것이 흔한 첫 번째 실수다.
빠른 답변
- 커넥터: 24핀, 거울처럼 대칭인 두 열; 케이블은 어느 방향으로 연결해도 작동합니다.
- 역할: CC 핀과 5.1 kΩ 풀다운(싱크) 또는 풀업(소스)이 누가 누구에게 전력을 공급하는지 결정합니다.
- 전력: 기본 5 V; USB PD는 이를 20 V / 5 A(100 W)로, EPR은 48 V / 5 A(240 W)로 높입니다.
- 속도: SuperSpeed 페어는 D+/D−와 별개입니다; 85 Ω 차동, TX에 100 nF AC 커플링.
1. 커넥터
24개 핀은 네 그룹으로 나뉩니다: 전원(VBUS/GND), USB 2.0(D+/D−), 구성(CC1/CC2), SuperSpeed(TX/RX 쌍, 그리고 대체 모드용 SBU). 미러링 때문에 호스트는 어느 방향이든 처리해야 합니다 — 일반적으로 CC 기반 mux를 사용하거나, 표준이 허용하는 경우 두 행을 함께 배선합니다.
미러링의 두 가지 실질적 결과가 있습니다. 첫째, USB 2.0 D+/D−는 일반적으로 두 행에 걸쳐 함께 연결할 수 있습니다. 한 번에 한 쌍만 활성화되고 프로토콜이 스텁을 허용하기 때문입니다. 둘째, SuperSpeed는 함께 연결할 수 없습니다. 플러그를 뒤집으면 TX와 RX 쌍이 교체되므로 full-speed 동작에는 mux(또는 방향 감지를 통합한 컨트롤러)가 필요합니다.
제품이 USB-C 커넥터를 통해 USB 2.0만 사용한다면 해당 mux는 불필요합니다 — 더 단순한 설계가 또한 올바른 몇 안 되는 경우 중 하나입니다.
| 핀 | 기능 | 비고 |
|---|---|---|
| A4, A9, B4, B9 | VBUS | Four pins, up to 5 A with an e-marked cable |
| A1, A12, B1, B12 | GND | Return and shield reference |
| A5, B5 | CC1, CC2 | Role detection and PD communication |
| A6, A7, B6, B7 | D+, D− | USB 2.0, 90 Ω pair |
| A2/A3, A10/A11, B2/B3, B10/B11 | SSTX / SSRX | SuperSpeed, 85 Ω pairs |
| A8, B8 | SBU1, SBU2 | Alternate modes (DisplayPort, audio) |
2. CC 핀은 역할을 결정한다
싱크(장치): CCx -- 5.1 kOhm -- GND 소스(충전기): CCx -- Rp -- VBUS Rp 56 kOhm: 기본 전류 Rp 22 kOhm: 1.5 A Rp 10 kOhm: 3 A
보드에 전원용 USB-C 리셉터클이 있고 CC 핀이 플로팅 상태로 남아 있으면 C-to-C 케이블은 전혀 전력을 공급하지 않는다. 장치는 죽은 것처럼 보이고 충전기는 아무것도 감지하지 못한다. 이는 가장 흔한 단일 USB-C 설계 오류로, 수정하려면 저항 두 개가 필요하다.
충전과 호스트 역할을 모두 수행하는 장치의 경우 CC 네트워크는 더 복잡하다. 포트가 Rd와 Rp 사이를 전환해야 하며 PD 컨트롤러가 협상을 처리한다. 이 단계에서는 참조 회로도를 복사하기보다 컨트롤러 데이터시트를 읽어야 한다.
PD 협상은 정적 저항이 아니라 변조 신호로 CC 라인을 통해 이루어집니다. 소스는 지원 능력을 알리고, 싱크는 프로파일을 요청하며, 전압이 변경되기 전에 양측이 이를 확인합니다. "충전이 느리다"를 디버깅하는 경우 저항만 보지 말고 협상된 계약을 확인하십시오.
3. 전력 협상
| 모드 | 전압 / 전류 | 전력 |
|---|---|---|
| Default USB | 5 V / up to 3 A | 15 W |
| USB PD | 5–20 V / up to 5 A | up to 100 W |
| PD EPR | 28–48 V / up to 5 A | up to 240 W |
3 A 초과에서는 케이블이 전자적으로 마킹되어야 하며, 싱크는 협상이 완료될 때까지 전체 전류를 사용할 수 있다고 가정해서는 안 됩니다. 5 A 부하를 VBUS에 하드와이어링한 설계는 브라운아웃이 발생하거나 보호 기능이 트립됩니다.
4. SuperSpeed 신호
SuperSpeed는 각 방향으로 송신 페어 하나와 수신 페어 하나를 추가한다. 이들은 AC 결합된다: 각 라인에 100 nF가 직렬로 배치되며, 송신기 근처에 위치한다. 또한 USB 2.0보다 빠르고 덜 관대하다 — Gen 1은 5 Gb/s, Gen 2는 10 Gb/s이며, USB4는 더 높은 속도로 간다.
실용적인 라우팅 규칙: 페어를 짧게 유지하고, 페어 내에서 매칭하며, 비아를 피하고, 리턴 경로가 끊기는 커넥터 아래로 라우팅하지 말 것. 설계에서 USB-C를 통한 USB 2.0만 필요하다면 SuperSpeed 핀은 연결하지 않은 채로 둘 수 있다 — 그러나 리셉터클에 노출되어 있다면 여전히 ESD 보호가 필요하다.
커넥터가 양방향이므로, 플러그가 뒤집힐 때 SS 레인은 mux에 의해 스왑되어야 한다. 이는 PCB가 두 가지 가능한 매핑을 보게 되며, mux가 경로에 자체 커패시턴스와 손실을 추가한다는 뜻이다. Gen 2에서는 이는 링크 버짓의 일부이지, 나중에 덧붙이는 고려 사항이 아니다.
신호 컨디셔닝은 많은 USB 3 컨트롤러에 내장되어 있습니다: 송신기 디엠퍼시스와 수신기 이퀄라이제이션이 PCB와 케이블의 손실을 보상합니다. 이것이 동일한 보드에서 링크가 Gen 1에서는 작동하고 Gen 2에서는 실패할 수 있는 이유입니다 — 5 GHz에서의 추가 손실이 이퀄라이저가 복구할 수 있는 범위를 초과하기 때문입니다.
| 규칙 | 이유 |
|---|---|
| 85 Ω differential for SS pairs | Different target from the 90 Ω D+/D− pair |
| 100 nF AC coupling on TX | Required by the specification; one per line |
| No vias if avoidable | 5–10 Gb/s is far less tolerant than USB 2.0 |
| Continuous return under the pairs | The connector area is where planes get cut |
| ESD on CC, SBU, VBUS, D+/D− | Every exposed pin can be touched |
5. 흔한 실수
| 실수 | 증상 | 해결 방법 |
|---|---|---|
| No CC pull-down | C-to-C cable gives no power | 5.1 kΩ on both CC pins |
| CC resistors on one pin only | Works one orientation, fails the other | One per CC pin (or a mux) |
| AC caps on RX side | Link training fails | Move to the TX side |
| 90 Ω routing for SS | Marginal eye, intermittent link | 85 Ω per stackup |
| No ESD on CC/SBU | PD controller dies on a zap | Protect every exposed pin |
5b. 전원 경로와 보호
USB-C 포트는 100 W를 공급하거나 받도록 요청받을 수 있으며, VBUS 핀은 외부에 노출되어 있습니다. 여기서 세 가지가 뒤따릅니다: VBUS 보호, 협상된 전류를 처리할 수 있는 전원 경로, 그리고 소스가 20 V 공급 장치가 아닌 5 V 휴대폰 충전기일 때 발생하는 상황에 대한 계획.
- ESD: VBUS, CC, SBU 및 데이터 페어는 모두 커넥터에서 보호가 필요합니다.
- 돌입 전류: 케이블을 꽂을 때 큰 입력 커패시터는 단락처럼 보이므로 소프트 스타트 또는 eFuse를 사용하십시오.
- 역전압: 포트가 소스와 싱크 역할을 모두 할 수 있으면 전력 경로는 양방향 모두에서 차단해야 합니다.
- 전류: 커넥터와 소형 보드를 통해 5 A를 흘리려면 넓은 구리 패턴과 열 점검이 필요합니다.
6. 브링업 체크리스트
- C-to-C 케이블로 CC 전압을 확인하십시오. 싱크는 소스의 Rp를 확인하고 라인을 정의된 레벨로 당겨야 합니다.
- 양쪽 플러그 방향에서 VBUS의 5 V를 확인하십시오.
- PD를 사용하는 경우 CC 파형을 캡처하고 BMC 협상을 확인하십시오. 요청된 전압을 점검하십시오.
- SuperSpeed의 경우 링크 테스트를 실행하고 협상된 속도를 읽으십시오. Gen 1과 Gen 2에서 각각 열거하십시오.
- SS 페어는 차동 프로브 또는 컴플라이언스 픽스처로만 프로빙하십시오. 한 라인에 단일 종단 프로브를 사용하면 측정이 무효화됩니다.
- SBU를 포함한 모든 노출 핀에서 ESD를 확인하십시오.
- 열: 협상된 최대 전력으로 30분 동안 작동시키고 커넥터와 PD 컨트롤러를 측정합니다.
여기에도 적용되는 차동 페어 기본 사항은USB 2.0 페어 라우팅 가이드, 동일한 커넥터의 보호 배치에 대해서는ESD 레이아웃 가이드.
7. FAQ
USB-C는 USB 3와 동일한가요?
아니요. USB-C는 커넥터이고, USB 3는 속도입니다. USB-C 포트는 USB 2.0만 전송할 수 있으며, USB-A 포트는 USB 3를 전송할 수 있습니다.
왜 내 기기가 C-to-C 케이블로 충전되지 않나요?
거의 항상 CC 핀 때문입니다. 싱크는 각 CC 핀에서 접지까지 5.1 kΩ이 필요하며, 이것이 없으면 충전기는 기기를 인식하지 못합니다.
어떤 USB-C 포트에서든 100 W를 얻을 수 있나요?
아니요. 소스, 케이블(e-marked) 및 싱크가 모두 PD와 요청된 전압을 지원해야 합니다. 기본 USB-C는 5 V입니다.
PD 컨트롤러가 필요한가요?
5 V 초과 또는 3 A 초과가 필요하거나 포트가 역할을 전환해야 하는 경우에만 필요합니다. 단순한 5 V 기기에는 저항 두 개와 보호 어레이만으로 충분합니다.
왜 제 보드는 A-to-C 케이블에서는 작동하지만 C-to-C에서는 작동하지 않나요?
A-to-C 케이블은 CC 상태와 관계없이 5 V를 제공합니다. C-to-C 케이블은 싱크가 Rd를 제시할 때까지 기다립니다. A-to-C 케이블에서 "작동하는" 동일한 설계가 C-to-C에서는 완전히 죽어 있을 수 있습니다.
SuperSpeed 페어가 필요한가요?
아니요. 제품이 USB 2.0만 필요하다면 SS 핀은 연결하지 않은 채로 둘 수 있지만, 노출된다면 여전히 보호해야 합니다.
PD 분석기 없이 USB-C를 테스트할 수 있나요?
부분적으로 가능합니다. VBUS와 CC에 미터를 연결하면 역할과 기본 전압을 알 수 있지만, 전체 PD 협상에는 PD를 지원하는 테스터나 프로토콜 분석기가 필요합니다. 대부분의 브링업에서는 더 간단한 점검으로 일반적인 결함을 잡아낼 수 있습니다.
e-marker란 무엇인가요?
케이블 내의 작은 칩으로, 소스에 자신의 전류 및 데이터 능력을 알려줍니다. 이 칩이 없으면 소스는 전류를 3 A로 제한합니다.
8. 출처
- USB Implementers Forum,USB Type-C 및 USB 3.2 규격— 핀아웃, CC, PD 및 SuperSpeed 요구 사항.
- USB-IF,USB Power Delivery— 전압 및 전류 프로파일, EPR.
- Texas Instruments,고속 레이아웃 지침(SLLA414) — 페어 라우팅 및 리턴 경로.
- 공급업체 USB-C 컨트롤러 데이터시트 — CC 네트워크 및 mux 구성.
USB-C 포트를 설계하시나요?
역할(sink, source 또는 both), 전력 레벨 및 데이터 속도를 알려주세요. 확정하기 전에 CC 네트워크, 보호 및 페어 라우팅을 확인해 드리겠습니다.
