개요: 이 애플리케이션 노트에서는 MAX4906EF를 사용하여 초저전력, 저가, 2포트 USB 2.0 스위치를 구현하는 방법에 대해 설명한다. 이 회로는 USB 설계에 2:1 스위치를 추가하지만, 추가되는 전류는 제로에 가까우므로 여러 소켓에 단일 트랜시버를 재사용할 수 있다.
머리말
많은 USB 시스템에서 여러 개의 포트를 필요로 하지만, 모든 포트가 동시에 액티브 상태에 있을 필요는 없다. 예를 들어 메모리 드라이브를 위해 앞 뒤 패널 포트가 있는 가전 제품에서는 한 번에 하나의 포트만 사용하도록 해도 아무 문제가 없다. 이 경우에는 제로에 가까운 낮은 전력을 요구하면서 소자와 루트 컴플렉스 사이에 다른 레벨을 추가하지 않는 USB 스위치가 이상적인 솔루션이다.
이 애플리케이션 노트에서는 MAX4906EF를 사용하여 USB 2.0 규격 준수* 스위치드 시스템을 구현하는 방법에 대해 설명한다.
USB 2.0 규격준수
USB 2.0(Hi-Speed USB)에서는 480Mbps의 데이터 전송률과 규격준수를 보장하기 위해 시스템이 아이 다이어그램 테스트를 통과하도록 요구하고 있다. 아이 다이어그램은 유효 소스로부터 D+와 D- 트레이스를 동시에 표시하며 사람의 눈 모양과 비슷하다. 그림 1은 USB 2.0 규격에서 요구되는 아이 패턴 템플릿을 제공한다. 소자의 출력이 아이 다이어그램 테스트를 통과하면, 시스템은 규격을 준수*하는 것이다.
그림 1. USB 규격 버전 2.0에서 요구되는 아이 패턴 (규격의 그림 7~13 참조)
평가할 시스템이 보드에 스위치 1개와 출력에 커넥터 1개를 갖고 있다고 가정한다면 신호는 아이 밖에 있어야 한다. 아이 오프닝은 ±400mV이며 최대 2dB 정도의 작은 손실을 허용한다. MAX4906EF USB 2.0 스위치는 0.5dB의 낮은 주파수 손실을 가지므로 아이 오프닝에 전혀 문제가 없다.
다음 문제는 시스템 대역폭이다. 왼쪽과 오른쪽의 경사진 라인은 허용 가능한 시스템의 상승 및 하강 시간을 제공한다. D+ (비반전 데이터) 신호는 육각형에 닿지 않으면서 통과해야 한다. 시스템은 기본적으로 RC 필터이므로 쉽게 계산할 수 있는 것처럼 보인다. 시스템이 완벽하게 45Ω에 정합되어 있고(USB 규격) 복종단 된다고 가정하면 신호는 다음과 비슷한 형태로 보일 것이다.
V = V0 × (1 - e-t/RC), 여기서 R = 22.5
D+ 디스플레이는 V = 50%에서 V = 100%까지 곡선을 보여줄 필요가 있으며, 규격에 따라 가장 왼쪽의 지점은 7.5% UI (unit interval) 또는 (0.075) × 2.08ns, 즉 156ps이다.
이상적인 보드에 사용할 때 MAX4906EF는 이러한 요구사항을 만족하며 아이 패턴 테스트를 쉽게 통과한다.
비이상적인 보드에 의해 발생되는 커패시턴스 문제
그러나 시스템 설계자가 MAX4906EF를 비이상적인 보드에 통합하고자 할 때 문제가 발생할 수 있다. 어떤 경우 사용할 보드 유형에 대해 설계자에게 권한이 없고, 구매자나 시스템에 사용되는 다른 보드에 의해 결정될 때가 있다. 설계자가 재료나 레이어의 두께, 보드의 유전상수 등 특별한 사항을 원한다면 비용이 너무 많이 들거나 제 시간에 재료를 얻지 못할 수도 있다. 따라서 설계자는 보통 선택의 여지없이 회사에서 다른 사람들이 사용하는 보드 유형을 사용하게 된다.
이상적으로 보드는 우수한 전송 라인으로 사용할 수 있다. 두께를 제어할 수 있고 라인폭과 간격을 완벽하게 지정할 수 있다면, 비교적 간단히 이상적인 수준에 가까운 전송 라인의 트레이스를 얻을 수 있다. 일반적으로 매우 까다로운 고주파 보드의 경우 라인은 4mils (0.1mm) 두께, 5mils (0.125mm) 폭으로, 5mils만큼 분리해야 하는 등 고유한 요구사항이 있다. 거의 모든 PCIe® 보드는 ≈4.4의 유전상수를 갖는 FR4 재료를 사용하여 제작된다. 레이어의 두께가 매우 얇거나 트레이스의 폭이 매우 넓지 않다면 진정한 90Ω ~ 100Ω의 평형 전송 라인을 얻기란 불가능할 것이다.
보드 설계자는 보통 보드 제약과 최대 4개의 레이어라는 문제에 부딪힌다. 레이어가 동일한 간격으로 배치되면 치수는 고정된다. 거의 모든 재료가 62mils(1.5mm)이므로 절연 두께는 ~18.6mils(0.47mm)가 된다. 트레이스 간에 10mils ~ 20mils의 일반적인 간격이 사용될 때, 라인의 특성 임피던스는 적정 수준보다 훨씬 높아져 180Ω(적정 임피던스의 거의 두 배)에 달한다. 라인의 길이가 짧으면(¼λ 미만), 이러한 라인은 시스템에 커패시턴스를 추가한다.
USB 2.0 규격준수* 스위치드 시스템 구현
MAX4906EF는 견고한 입력 구조로 설계되어 있어 ±15kV의 HBM (Human Body Model) ESD 보호를 제공한다. 이러한 구조는 부품의 커패시턴스에 추가되지만, 외부 다이오드나 ESD 억제를 위한 다른 소자가 필요하지 않다. 이와 같이 그 밖의 다른 부품들이 불필요하므로 전체 시스템 비용이 절감되고 커패시턴스도 낮아질 가능성이 매우 높다.
이제 MAX4906EF가 이상적인 보드에서 아이 패턴 테스트를 통과한다는 것을 알았지만 보다 표준적인 보드에서는 아이 오프닝에 문제가 있을 수 있다. MAX4906EF는 저렴하면서 ESD에 높은 내성을 가질 뿐 아니라 USB 2.0의 거의 모든 요구사항을 통과하며 USB 1.1(low/full speed)과 역 호환되지만 시스템 응답을 향상시키기 위한 몇 가지 작업을 수행할 필요가 있다.
개별 인덕터를 소자와 직렬로 추가하면 커패시턴스의 일부를 튜닝 아웃하면서 아이 오프닝을 향상시킬 수 있다. 소자의 커패시턴스 및 추가된 모든 보드 커패시턴스와 함께 충분한 인덕턴스를 추가하여 240MHz의 3차 고조파를 피킹(peak)한다면, 더 낮은 주파수에는 그렇게 영향을 미치지 않으면서 필요로 하는 부분의 성능을 향상시킬 수 있다. 만약 MAX4906EF와 추가된 보드 커패시턴스가 12pF에 달한다고 가정하고 500MHz에서 응답을 피킹하고자 한다면, 작은 양의 직렬 인덕턴스가 바로 그와 같은 효과를 낼 수 있다.
작은 양(5nH ~ 15nH)의 개별 인덕턴스를 라인과 직렬로 삽입하면 시스템 응답이 실제로 향상된다. 인덕턴스가 충분히 작고 시스템의 "Q"도 충분히 낮아서 피킹이 넓게 나타난다. 작은 인덕턴스는 기본 주파수에 거의 영향을 미치지 않는다.
이렇게 추가된 인덕턴스가 시스템 응답에 미치는 영향을 결정하기 위해 Maxim에서는 시뮬레이션을 수행하였다. MATLAB® 소프트웨어를 사용하여 종단된 소스 및 부하와 함께 일련의 수도랜덤 코드를 생성하여 USB 신호를 시뮬레이트하였다. 결과는 매우 우수하였으며, 아이의 왼쪽 편에 여유도가 추가되었는데, 이것은 아이 패턴에서 가장 통과하기 어려운 부분이다. 그림 2는 커패시턴스가 12pF이고 직렬 인덕터가 없을 때 MAX4906EF에 의해 생성된 아이 패턴을 보여준다.
그림 2. 커패시턴스가 12pF이고 직렬 인덕터가 없을 때 MAX4906EF에 의해 생성된 아이 패턴
시스템은 규격을 간신히 "통과한다". 왼편은 지점 1을 겨우 통과한다. 눈에 띄게 느린 상승 시간은 신호가 50%에서 100%까지 가는 데 걸리는 시간이며, 오른편의 하강 시간은 신호가 0에서 50%까지 가는데 걸리는 시간으로 훨씬 빠르다. x축은 1UI, 2083ps이다. 다이어그램의 지점 1은 아이의 시작점으로부터 0.375UI, 780ps이다. 이는 해당 지점의 진폭에서 300mV, 75%보다 커야 한다. 보드에 커패시턴스가 너무 크거나 소자가 12pF 대신 15pF를 갖는다면 시스템은 실패한다. 그림 3에 보이는 다음 시뮬레이션은 소자와 직렬로 18nH를 추가한 것이다.
그림 3. 소자와 직렬로 18nH를 추가했을 때 MAX4906EF의 아이 패턴
MAX4906EF와 직렬로 18nH를 추가하면 까다로운 지점 1은 훨씬 더 여유를 갖게 된다. 18nH에서 고주파 피킹은 명백하게 나타나며, 신호는 예상보다 약간 높다. 최적의 성능을 위해 설계자는 사용하는 보드에 따라 10nH와 20nH 사이의 인덕턴스 값을 사용하여 실험해 볼 수 있다.
그림 4. USB 2.0의 규격을 만족하기 위해 사용되는 완전한 회로도. 이 회로는 제작 및 시험을 거쳐 명확한 향상을 보여주었고 시뮬레이션 결과와 매우 밀접한 상관관계를 갖는 것으로 나타났다.
결론
광대역 고주파 회로는 실제 설계 요구를 만족시키고자 할 때 문제에 부딪힐 수 있다. 부적절한 보드 트레이스는 커패시턴스를 추가하여 문제를 복잡하게 만들고 USB 시스템의 성능을 저하시킬 수 있다.
이 애플리케이션 노트에서는 MAX4906EF를 사용하여 USB 2.0 규격 준수* 스위치드 시스템을 구현하는 회로에 대해 살펴보았다. 인덕터를 보드 트레이스에 직렬로 추가하면 최소 비용으로 고주파 응답을 피킹할 수 있다. 회로의 특성상 인덕터의 정확한 값은 그렇게 중요하지 않으며, ±20% 정도면 적당하다. 시스템 설계자는 필요한 인덕턴스를 얻기 위해 자유롭게 실제 물리적 인덕터를 추가하거나 보드에 나선형 트레이스를 추가할 수 있다. 그렇다고 시스템에 비용이 추가되지는 않는다. MAX4906EF는 USB 설계에 2:1 스위치를 추가하며, 이때 추가되는 전류는 제로에 가까우므로 여러 소켓에 단일 트랜시버를 사용할 수 있다. 이 솔루션은 전력이 매우 낮고 비용이 저렴하며 2포트 USB 2.0을 구현한 것이다.
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*이 애플리케이션 노트는 USB 2.0의 아이 다이어그램 규격을 준수하도록 스위치의 주파수 응답을 향상시키는 방법에 대해 설명한다. 그러나 스위치드 시스템의 USB 2.0 규격 준수 여부는 시스템 구조에 따라 결정된다.
MATLAB는 The MathWorks, Inc.의 등록상표이다.
PCIe는 PCI-SIG Corp.의 등록상표이다.
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