USB Type-C® Power Delivery using STM32(1) - 개요

안녕하세요. 이번 포스팅에서는 USB Type-C Power Delivery 어플리케이션을 번역해 STM32에서 어떻게 USB PD를 구현할 수 있는지 알아보도록 하겠습니다.

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개요

이 애플리케이션 노트(AN5225) 는 전원 싱크용 TCPP01-M12, 전원 소스용 TCPP02-M18, Dual-Role Power 보호 회로용 TCPP03-M20과 함께 STM32 MCU 및 MPU와 함께 USB Type-C® Power Delivery를 사용하기 위한 어플리케이션 노트입니다. 두 가지 새로운 USB Type-C® 및 USB Power Delivery 표준의 일부 기본 개념도 소개됩니다.

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USB Type-C® 기술은 필요한 모든 데이터를 전달하는 단일 플랫폼 커넥터를 제공합니다. 새로운 이 양방향 커넥터는 플러그 삽입을 보다 사용자 친화적으로 만듭니다. Power Delivery 프로토콜을 사용하면 USB 포트에 연결된 장치에 최대 100W의 전력 공급을 협상을 통해 공급하거나 공급 받을 수 있습니다. 이는 케이블과 커넥터의 필요성을 줄이고 범용 충전기의 사용을 용이하게 합니다.

 

USB Type-C® 커넥터는 최대 15W(5V에서 최대 3A)의 기본 지원을 제공하며 옵션 USB Power Delivery 기능을 사용하여 100W(20V에서 최대 5A)까지 확장 가능합니다.

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알아두어야 할 약어들

AMS : Atomic message sequence

APDO : Augmented power delivery object

BMC : Bi-phase mark coding

BSP : Board support package

CAD : Cable detection module

DFP : Downstream facing port

DPM : Device policy manager

DRP : Dual-role power

DRS : Data role swap

GP : General purpose

GUI : Graphical user interface

HAL : Hardware abstraction layer

HW : Hardware

LL : Low layer

MSC : Message sequence chart

OVP : Over-voltage protection

PDO : Power delivery object

PE : Policy engine

PRL : Physical protocol layer

PRS : Power role swap

SNK : Power sink

SRC : Power source

UCPD : USB Type-C power delivery

UFP : Upstream facing port

VDM : Vendor defined messages

FWUP : Firmware update

PPS : Programmable power supply

TCPM : Type-C port manager

TCPC : Type-C port controller

TVS : Transient voltage suppression

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Reference documents

표 1. STMicroelectronics ecosystem documents

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USB Type-C in a nutshell

USB-IF(USB Implementers Forum)는 두 가지 보완 사양을 소개합니다.

• USB Type-C® 케이블 및 커넥터 사양 릴리스 1.3은 Alternate 모드를 지원하는 데 사용할 수 있는 최대 10Gbit/s의 고속 USB2.0 신호 및 2개의 초고속 레인을 기반으로 하는 뒤집을 수 있는 슬림형 커넥터 시스템을 자세히 설명합니다.

• USB Power Delivery(PD) 사양 개정판 2.0 및 3.0은 어떻게 4.5W 전원 공급(VBUS의 900mA@5V)에서 100W 공급 전원 또는 소비 전원(최대 5A@20V)으로 변환할 수 있는지에 대한 방법을 자세히 설명합니다.

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새로운 24핀 USB Type-C® 플러그는 어떤 방식으로 삽입하든 무극성이며 뒤집어 삽입할 수 있도록 설계되었습니다.

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다음은 Power Delivery에서 제안하는 모든 고급 지원 기능입니다.

• 전원 역할 협상

• 전원 공급 및 소비 레벨 협상

• Active 케이블 식별 수행

• 벤더 지정 사이드밴드 메시징 교환

• Alternate 모드 협상을 수행하여 타사 통신 프로토콜을 USB Type-C® 케이블의 재구성 가능한 핀으로 라우팅

그림 1. USB connectors

다음 사항도 유의해야 합니다.

• USB Type-C® 케이블은 양쪽 끝에 동일한 플러그를 사용합니다.

• USB Type-C®는 드라이버 스택 및 전원 기능을 포함하여 USB2.0의 모든 이전 프로토콜을 지원합니다.

• 새 커넥터는 매우 작습니다(너비 8.4mm, 높이 2.6mm).

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그림 1. USB 커넥터에서 볼 수 있듯이 새로운 USB Type-C® 플러그는 이전 플러그가 제공하는 모든 기능을 포함하여 유연성을 보장하고 애플리케이션을 단순화합니다.

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USB Type-C® 포트는 호스트 전용, 장치 전용으로 작동하거나 듀얼 기능을 가질 수 있습니다. 데이터 및 전력 역할은 모두 USB Power Delivery 명령을 사용하여 독립적이고 동적으로 교환할 수 있습니다.

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USB Type-C® vocabulary

USB Type-C® 시스템에 일반적으로 사용되는 용어는 다음과 같습니다.

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• Source: 포트 전원 역할. CC 핀(명령 제어 핀, Section 4 CC 핀 참조)에서 Rp(Pull-up 저항, 그림 3. Pull up/down CC detection 참조)를 노출하고 VBUS(5V ~ 20V, 최대 5A) 가장 일반적으로 호스트 또는 허브 다운스트림 방향 포트(예: 레거시 Type-A 포트)입니다.

• Sink: 포트 전원 역할. CC 핀에서 Rd(Pull-down 저항. 그림 3. Pull up/down CC detection 참조)를 노출하고 VBUS(5V ~ 20V, 최대 5A)에서 전력을 소비하는 포트, 가장 일반적으로 장치(예: 레거시 유형) -B 포트)

• Dual-role 전원(DRP) 포트: 소스 또는 싱크 전원 역할을 동적으로 전환할 수 있는 포트입니다.

• DFP(Downstream-Facing Port): 포트 데이터 역할. USB 호스트 또는 허브 확장과 같은 상위 수준의 USB 트리에 있는 USB 포트.

• UFP(Upstream-Facing Port): 포트 데이터 역할. USB 장치 또는 허브 마스터 포트와 같은 USB 트리의 하위 수준에 있는 USB 포트.

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Type-C 및 Power Delivery 사양 내에 정의된 모든 고급 기능을 구현하고 지원하는 것은 의무 사항이 아닙니다.

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Minimum mandatory feature set

지원해야 하는 필수 기능은 다음과 같습니다.

• 케이블 연결 및 분리 감지

• 플러그 방향/케이블 꼬임 감지

• USB2.0 연결

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Connector pin mapping

24핀 USB Type-C® 커넥터에는 다음이 포함됩니다.

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• 대칭 연결:

– USB2.0 차동 쌍(D+/D-)

– 전원 핀: VBUS/GND

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• 비대칭(asymmetric) 연결

– USB3.1 데이터 속도를 지원하는 두 세트의 TX/RX 신호 경로

– USB Type-C® Power Delivery 기능의 검색, 구성 및 관리를 처리하는 Configuration Channels(CC 라인)

– 아날로그 오디오 모드 또는 alternate 모드용 2개의 두개의 side-band 사용 신호(SBU 라인)​​

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그림 2. Receptacle pinout

표 2. USB Type-C receptacle pin descriptions

VBUS power options

VBUS는 호스트와 장치 사이, 충전기와 호스트 또는 장치(Device) 사이에 전원을 공급하는 경로를 제공합니다.

USB Type-C® 커넥터가 있는 장치의 관점에서 사용할 수 있는 전원 옵션은 아래와 같이 나열되어 있습니다.

표 3. Power supply options

Note : USB Type-C® to Type-C™ 케이블 조립품은 정격 케이블 전류(3A 또는 5A)에서 20V DC로부터 보호하기 위해 VBUS가 필요합니다.

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CC(Configuration Channel) Pin

Type-C 커넥터에는 2개의 CC 핀(CC1 및 CC2)이 있지만 케이블의 각 끝에 있는 케이블 플러그에는 CC 핀이 하나만 있습니다(케이블을 통해 공통으로 연결됨).

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CC1과 CC2 모두 Source 에서는 Rp(Pull-up) 저항을 노출해야 하는 반면 Sink는 Rd(Pull-down) 저항을 노출해야 합니다. Electronic 케이블(E-Cable)은 VCONN의 접지에 저항 Ra를 제공해야 합니다.

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Source 관점에서 연결된 장치의 상태는 표 4를 참조하여 확인할 수 있습니다.

표 4. Attached device states - source perspective

Plug orientation/cable twist detection

USB Type-C® 케이블 플러그는 어느 방향으로든 콘센트에 삽입할 수 있으므로 먼저 방향을 감지해야 합니다. 감지는 Rp/Rd 저항을 사용하여 CC 라인을 통해 수행됩니다.

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처음에 DFP는 CC 핀에 Rp 종단을 제공하고 UFP는 CC 핀에 Rd 종단을 제공합니다. 연결을 감지하기 위해 DFP는 두 CC 핀을 모두 모니터링합니다([17]의 그림 4-30 참조).

그림 3. Pull up/down CC detection

Power capability detection and usage

Type-C는 기본 USB 표준 외에 1.5A 및 3A의 향상된 전류 용량을 제공합니다. 장치에 대한 포트의 전류 공급 기능은 DFP의 Rp Pull-up 저항 값에 따라 다릅니다.

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고전류(5A) 성능은 USB Power Delivery 프로토콜을 사용하여 협상됩니다. 표 5는 [17]에 따라 가능한 값을 보여줍니다.

표 5. DFP CC termination (Rp) requirements

1. USB Type-C - USB 3.1 표준 A 케이블 어셈블리, USB Type-C - USB 2.0 표준 A 케이블 어셈블리, USB Type-C - USB 2.0의 USB Type-C 플러그에 구현된 Rp의 경우 Micro-B 리셉터클 어댑터 어셈블리 또는 USB 호스트에 연결된 USB Type-C 캡티브 케이블, 케이블 어셈블리에서 VBUS 및 GND의 IR 드롭에 대한 허용 오차를 제공하기 위해 56kΩ ± 5% 값을 사용해야 합니다.

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UFP는 [17]에 따라 감지 시스템을 바이어스하고 전력 싱크로 식별되도록 CC1과 CC2 모두에서 Rd Pull-down 저항을 노출해야 합니다.

표 6. UFP CC termination (Rd) requirements

UFP는 DFP 전력 성능을 결정하기 위해 [17]에 따라 CC 라인 전압을 정확하게 모니터링합니다.

표 7. Voltage on sink CC pins (multiple source current advertisements)

Power profiles

USB Power Delivery 프로토콜은 [16]에 정의되고 다음 그림에 보고된 대로 최대 100W의 전력을 제공하기 위해 고급 전압 및 전류 협상을 가능하게 합니다.

그림 4. Power profile

표 8은 케이블 정격 전류의 함수로서 허용된 전압 소스 및 프로그래밍 가능한 전원 공급 장치(PPS) 선택을 보여줍니다.

표 8. Fixed and programmable power supply current and cabling requirements

추가 정보는 [16] 및 [17]에서 확인할 수 있습니다.(AN5225 참조 문서)

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USB Power Delivery 2.0

USB Power Delivery에서 직접 연결된 포트 쌍은 USB 케이블을 통해 전압, 전류 또는 전원 방향 및 데이터 흐름을 협상합니다. CC 와이어는 BMC 코딩 통신 채널로 사용됩니다. 사용되는 메커니즘은 다른 USB 전원 협상 방법과 독립적으로 작동합니다.

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Power Delivery signaling

모든 통신은 300Kbit/s의 반이중(Half-duplex) 모드에서 CC 회선을 통해 이루어집니다. 통신은 CC 회선을 통해 BMC 인코딩 32비트 4b/5b 워드를 사용합니다.

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Packet structure

패킷 형식은 다음과 같습니다.

• 프리앰블: 송신기와 동기화하기 위해 0과 1이 번갈아 나타나는 64비트 시퀀스.

• SOP*: 패킷의 시작. SOP, SOP'(패킷 시퀀스 시작 프라임) 또는 SOP”(패킷 시퀀스 더블 프라임 시작)일 수 있습니다(그림 5. SOP* 신호 참조).

– SOP 패킷은 PD 가능 DFP 및 UFP로만 제한됩니다.

– SOP' 패킷은 DFP에 부착된 케이블 플러그와의 통신에 사용됩니다.

– SOP” 패킷은 UFP에 부착된 케이블 플러그와의 통신에 사용됩니다.

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SOP' 또는 SOP" 통신이 가능한 케이블 플러그는 SOP' 또는 SOP"로 시작하는 패킷만 감지하고 통신해야 합니다.

• 패킷의 종류와 데이터의 양을 식별하는 메시지 헤더를 포함한 메시지 데이터

• CRC: 오류 검사

• EOP: 패킷의 끝, 고유 식별자.

그림 5. SOP* signaling

K-codes

K-코드는 4b/5b 코딩에서 제공하는 특수 기호입니다. 하드 리셋, 케이블 리셋 신호를 보내고 패킷 경계를 나타냅니다.

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Negotiating power

DFP는 초기에 버스 마스터로 간주됩니다. 프로토콜 계층을 사용하면 전원 구성을 동적으로 수정할 수 있습니다.

전원 역할, 데이터 역할 및 VCONN 스왑은 두 포트가 모두 Dual power role 기능을 지원하는 경우 독립적으로 가능합니다.

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VBUS의 기본 전압은 항상 5V이며 최대 20V로 재구성할 수 있습니다. 기본 전류 용량은 초기에 Rp 값으로 정의되며 Electronically marked(E-marked) USB PD Type-C 케이블의 경우 최대 5A로 재구성할 수 있습니다.

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이 프로토콜은 각각 인코딩된 기호(Kcode)로 시작하는 SOP(start-of-packet) 통신을 사용합니다. SOP 통신에는 제어 또는 데이터 메시지가 포함됩니다. 제어 메시지는 16비트 고정 크기로 데이터 흐름을 관리합니다. 데이터 메시지 크기는 내용에 따라 다르며 데이터 개체에 대한 정보를 제공합니다.

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USB Power Delivery 3.0

파워 관점에서 볼 때 USB PD 2.0과 USB PD 3.0 사이에는 차이가 없습니다. 모든 USB PD 3.0 장치는 USB PD 2.0 장치와 Power Contracts을 협상할 수 있으며 그 반대도 가능합니다. USB PD 3.0에는 다음과 같은 주요 기능이 추가되었습니다.

• 빠른 역할 전환

• 인증

• 펌웨어 업데이트

• Sink에 직접 충전을 지원하는 프로그래밍 가능한 전원 공급 장치(PPS)

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다음은 USB PD 3.0과 USB PD 2.0 사양 간의 주요 변경 사항에 대한 요약입니다.

• Revision 2.0 및 Revision 3.0 작업에 대한 지원은 기존 제품과의 하위 호환성을 보장하기 위해 의무화됩니다.

• 프로필은 더 이상 사용되지 않으며 PD 전원 규칙으로 대체됩니다.

• 레거시 케이블, 레거시 커넥터, 레거시 방전 배터리 작동 및 관련 테스트 모드를 포함하여 더 이상 사용되지 않는 BFSK 지원.

• 최대 260바이트의 데이터 페이로드가 있는 확장 메시지가 정의됩니다.

• VCONN 소스만 케이블 플러그와 통신할 수 있습니다.

• Source 또는 Sink가 아토믹 메시지 시퀀스(AMS)를 시작할 수 있도록 하는 Source 조정 충돌 방지 체계.

• 외부 전원 공급 장치가 제거될 때 외부 전원 도크 및 허브가 버스 전원으로 신속하게 전환할 수 있도록 정의된 빠른 역할 전환.

• 추가 상태 및 검색:

– 전원 공급 장치 확장 기능 및 상태

– 배터리 기능 및 상태

– 제조업체 정의 정보

• 패시브 케이블, 액티브 케이블 및 구조화된 VDM 버전이 2.0으로 변경됨에 따라 표시되는 AMA VDO의 필드 변경.

• USB 보안 관련 요청 및 응답 지원.

• USB PD 펌웨어 업데이트 요청 및 응답 지원.

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시스템 정책은 이제 USBTypeCBridge 1.0을 참조합니다.

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Alternate modes

USB Type-C® 콘센트를 사용하는 모든 호스트 및 장치(충전기 제외)는 USB 인터페이스를 노출해야 합니다.

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호스트 또는 장치가 선택적으로 Alternate 모드를 지원하는 경우:

• 호스트 및 장치는 Alternate 모드를 활성화하기 위해 USB Power Delivery 구조화된 벤더 정의 메시지(구조화된 VDM)를 사용하여 모드를 검색, 구성 및 시작/종료합니다.

• 최상의 사용자 경험을 위해 장치가 동일한 USB 기능을 제공하는 것이 좋습니다.

• 동등한 USB 기능이 구현되지 않은 경우 장치는 장치를 식별하는 데 필요한 정보를 제공하기 위해 USB 빌보드 장치 클래스를 노출하는 USB 인터페이스를 제공해야 합니다. 비사용자 대면 모드(예: 진단 모드)에 대해 USB 빌보드 장치 클래스를 노출하는 USB 인터페이스를 제공하기 위해 장치가 필요하지 않습니다. Alternate 모드는 USB 허브 토폴로지를 통과하지 않으므로 직접 연결된 호스트와 장치 사이에서만 사용해야 합니다.

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Alternate pin re-assignments

그림 6에서 노란색으로 강조 표시된 핀은 완전한 기능을 갖춘 케이블에서 재구성할 수 있는 유일한 핀입니다.

그림 6. Pins available for reconfiguration over the Full Featured Cable

그림 7은 직접 연결 애플리케이션을 위해 재구성할 수 있는 핀을 보여줍니다. 이 구성은 케이블 배선에 의해 제한되지 않기 때문에 그림 6보다 세 개의 핀이 더 있습니다.

그림 7. Pins available for reconfiguration for direct connect applications

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USB 빌보드 장치 클래스 정의는 장치 컨테이너가 지원하는 대체 모드를 호스트 시스템에 전달하는 데 사용되는 방법을 설명합니다. 여기에는 사람이 읽을 수 있는 형식으로 지원 세부 정보를 제공하는 문자열 설명자가 포함됩니다. 자세한 내용은 [18]을 참조하십시오.

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Product offer

STM32 MCU 및 STM32 MPU는 STM32 통합 UCPD(USB Type-C Power Delivery) 주변 장치 또는 범용(GP) 주변 장치 세트를 사용하여 USB Type-C/USB Power Delivery 인터페이스를 처리합니다. USB Type-C 및 Power Delivery 애플리케이션 페이지를 참조하십시오.

그림 8. USB Type-C Power Delivery block diagram

그림 9. STM32G0 Discovery kit USB Type-C analyser

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STM32 MPU product specificities

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STM32 MPU 제품의 경우 다음 사항을 고려하십시오.

• USB는 Cortex-A7 코어에서만 지원됩니다. Cortex-M4 코어는 지원하지 않습니다.

• Linux 프레임워크와의 호환성을 위해 USB Type-C는 외부 장치에서 관리합니다. STUSB1600 칩셋을 사용한 CN7 구현(ADC를 사용한 CN6 구현과 반대)의 MB1272-DK2-C01 보드 회로도를 참조하십시오. 자세한 내용은 [9]의 USB Type-C® 콘센트를 사용하는 USB 포트 섹션을 참조하십시오.

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<계속>