개요: 향상된 직렬 ATA(eSATA)를 사용하면 외장 드라이브가 연결된 컴퓨터 시스템 성능은 내장 드라이브에서 구동할 때와 거의 동일하며 USB 2.0보다 몇 배 더 빠르다. eSATA는 최대 3.0Gbps에서 별도의 송/수신 경로를 갖지만 USB 2.0은 480Mbps 단일 링크로만 구성된다. eSATA 포트를 사용할 경우 컴퓨터는 내장 드라이브에 액세스할 때와 똑같이 간단하게 최대 2m 케이블을 통해 1테라바이트 (1TB) 이상의 외부 데이터에 액세스할 수 있다. eSATA에서 더 긴 케이블을 사용하려면 SATA 이상의 드라이브가 필요하다. 이에 따라 완벽한 eSATA 드라이브 요구사항을 제공하기 위해 MAX4951 SATA 양방향 redriver가 개발되었다.
SATA 및 이전의 데이터 전송 프로토콜
직렬 ATA (SATA) 하드 드라이브는 랩탑 및 데스크톱 컴퓨터에서 병렬 ATA (PATA) 하드 드라이브를 거의 대체했으며 일부 서버에서도 사용되고 있다. SATA 케이블/소켓의 데이터 부분은 단 7개의 도선(그림 1)으로 구성되지만, PATA는 40개의 데이터 도선을 갖는다. SATA 케이블은 매우 유연하여 점퍼 설정이 필요 없다. 내부 SATA 케이블은 1m까지 사용할 수 있지만 PATA 케이블은 18인치만 지원된다.
그림 1. PC 보드상의 SATA 커넥터
SATA I 데이터 전송률은 직렬 데이터 스트림의 경우 1초에 150MB이고 병렬 전송의 최대 전송률은 초당 133MB이다. SATA II는 초당 300MB로 데이터를 전송한다. 원래 SATA는 불편한 리본 커넥터를 대체할 목적으로 만들어졌으며 1m 케이블만 구동 가능했다. 그러나 enhanced SATA(eSATA)라고 부르는 새로운 표준이 개발되면서 랩탑/데스크톱 컴퓨터 외부에서 최대 2m까지 하드 드라이브로 신호를 구동할 수 있게 되었다. SATA/eSATA 신호는 표준 LVDS와 비슷하며 한 쌍의 100Ω 평형 전송 라인에서 AC 커플링된다. 신호 레벨은 통상 ±500mVP-P이다. 1.5Gbps SATA는 성공적이었지만 SATA/eSATA는 기타 향상과 함께 신속하게 3.0Gbps로 발전했다.
eSATA
eSATA는 SATA의 일종으로, eSATA는 외장 하드 드라이브가 연결된 랩탑/데스크톱 컴퓨터 용으로 설계되었기 때문에 최대 2m의 케이블 길이를 사용할 수 있다. eSATA를 사용하면 컴퓨터는 내장 드라이브를 사용할 때와 똑같이 빠르게 1테라바이트 (1TB) 이상의 외부 데이터에 쉽게 액세스할 수 있다. eSATA 케이블은 보통 SATA 케이블보다 길기 때문에 SATA보다 더 많은 신호 드라이브를 필요로 한다. eSATA 커넥터는 SATA 커넥터와 조금 다르므로 상호 교환이 불가능하다. 그림 2는 SATA 및 eSATA의 케이블 단을 보여준다. 두 케이블 단은 비슷하게 보이지만 SATA 케이블 단은 단일 노치를 갖는다.
그림 2. SATA 및 eSATA 케이블 커넥터
eSATA를 사용할 경우 전체 시스템 성능은 내장 드라이브에서 구동할 때와 거의 동일하지만 eSATA는 2개의 데이터 링크를 가지며 USB 2.0보다 몇 배 더 빠르다.
설계자는 고객에게 우수한 eSATA 포트를 제공해야 하지만 마더보드에서 전체 설계의 최적의 위치에 SATA 컨트롤러를 배치해야 하는 딜레마에 직면한다. 쉽게 액세스할 수 있는 위치에 eSATA 커넥터를 배치해야 하면서 보드의 제약 때문에 설계자는 보드를 가로질러 신호를 라우팅해야 할지 모른다. 여기에다 커넥터로부터 손실이 추가되면 신호는 eSATA 신호 레벨 요구사항을 만족하지 못할 수 있다.
eSATA 요구사항을 만족하는 MAX4951
다행히 MAX4951 SATA 양방향 redriver는 보드/케이블 손실을 수용하고 모든 SATA 드라이브 요구사항을 제공할 목적으로 출시되었다. MAX4951의 최적의 위치는 eSATA 커넥터에 가까이 배치하는 것이다. 부품은 매우 작아서 (불과 4mm x 4mm) 단 3.3V 전원만 필요로 하며 노스브리지로부터 입력에서 6dB 손실을 견디면서 eSATA 케이블을 구동하기에 충분한 출력을 제공한다.
MAX4951에는 입/출력에 모두 내부 50Ω 종단을 갖는 2개의 리미팅 차동 앰프가 내장되어 있다. 각 앰프의 출력 레벨은 보통 보드의 설계 단계에서 설정되는 2비트에 의해 독립적으로 제어할 수 있다. 보드가 eSATA를 구동하는 경우에는 비트 1(B1)을 하이로 설정해야 한다. MAX4951이 6인치 미만(0.15m 미만)이면 비트 0(B0)을 부동 상태로 둘 수 있으며 거리가 6인치 이상이면 하이로 설정해야 한다. 설계 목적을 위해 설계자는 3.3V에서B0 사이에 1kΩ 저항을 배치할 수 있으며 필요하지 않은 경우 실장하지 않아도 된다.
OOB 관리
대역외 (OOB) 신호전송은 MAX4951에 의해 명확하게 처리된다. OOB 신호는 호스트와 드라이브에서 통신 또는 "핸드 셰이킹"이 필요한 특수한 낮은 전송률의 명령이다. OOB 신호는 1.5Gpbs 데이터 전송률에서 일련의 버스트로 구성된다. 이들 버스트는 출력이 스위치를 통과하는 파형(그림 3)으로 볼 수 있다. 스위치는 1.5Gbps의 많은 사이클을 허용하며 호스트/드라이브는 이들 버스트 구간을 디코딩하여 통신한다. MAX4951은 특별히 OOB 신호전송을 관리하기 위해 스켈치 회로를 제공한다. 그림 3에서는 버스트를 볼 수 있는데, 많은 버스트 사이클과 각 사이클 사이에는 "데드" 타임이 발생한다.
그림 3. OOB 신호
SATA/eSATA 환경에서 redriver가 적절히 동작하려면 소자는 100mV 미만의 모든 신호를 제거 또는 "스켈치"해야 한다. 스켈치 기능이 없는 경우 redriver가 시스템의 모든 잡음을 증폭하여 OOB 패턴이 손실될 수 있다. MAX4951을 사용하면 설계자는 OOB 신호전송을 관리하기 위한 어떤 일도 할 필요가 없다. 신호가 MAX4951을 통과하면 모든 잡음은 스켈치되어 OOB 신호와 간섭하지 못하도록 방지된다.
수신 감도 관리
설계자는 보드에 100Ω 평형 트레이스를 생성하는 규칙을 사용해야 하는데, 레이아웃 소프트웨어가 이를 허용해야 한다. MAX4951은 호스트와 드라이브 측에서 모두 커패시터 커플링되어야 한다. 입력의 신호 레벨은 200mVP-P보다 크거나 같아야 한다. 출력 레벨은 600mVP-P 또는 900mVP-P로 설정할 수 있다.
그림 4는 3.0Gbps에서 동작하고 입력에서 단 200mVP-P를 갖는 MAX4951에 대한 아이 패턴을 보여준다. 출력은 사용자 핀으로 선택한다. MAX4951은 양방향으로부터 발생하는 신호를 가지며 각각에 대한 출력 레벨은 각 방향에 대한 핀을 스트래핑(strapping)하여 간편하게 선택할 수 있다.
그림 4. 3.0Gbps에서 동작하고 입력이 단 200mVP-P일 때 MAX4951의 아이 패턴
보이는 출력 레벨은 900mVP-P이며 입력에서 단 200mVP-P를 갖는다. 아이 패턴은 SATA의 600mVP-P 제한과 거의 동일해 보인다. 입력에서 단 200mVP-P를 갖지만 출력은 매우 깨끗하게 보인다.
설계 예
그림 5의 회로도는 랩탑 또는 데스크톱 애플리케이션에서 eSATA redriver에 대한 완벽한 회로를 보여준다. 이 설계는 SATA를 eSATA 레벨로 확장한다. MAX4951의 핀은 리드를 가로지를 필요가 없는 방식으로 배치되었다. 이 설계는 MAX4951 EV 킷(EV kit)의 기초로 사용된다.
그림 5. 이 랩탑/데스크톱 설계는 MAX4951을 내장하여 SATA 신호를 eSATA 레벨로 확장한다.
결론
최근의 많은 랩탑/데스크톱 설계는 eSATA 소자를 지원해야 한다. 대부분의 설계자들은 노스브리지를 제어하지 않기 때문에 일종의 능동 redriver를 사용하여 보드상의 신호 손실을 수용해야 한다. MAX4951 redriver는 6dB 또는 그 이상에 의해 감쇄되고 eSATA 요구사항을 만족하는 출력 신호를 생성하는 최소 SATA 출력 레벨을 받아들일 수 있다. 이 redriver는 입/출력이 크로스오버나 비아 또는 다른 레이아웃 기법을 사용하지 않아도 원활한 흐름을 갖도록 배치된다. 유일하게 추가되는 부품은 몇 개의 바이패스 및 커플링 커패시터이다. MAX4951은 호스트 전송 라인과 전체 eSATA의 깨끗한 출력을 종단하여 최대 2m 케이블을 통해 외장 eSATA 하드 드라이브를 구동한다.
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