핵심적인 성능 개선의 역활 USB 컨수머 애플리케이션의 스위칭2 - Technology

USB에 대해 설명하고 이동식 미디어 플레이어, 휴대폰 및 무선 펜 드라이브와 같은 애플리케이션의 성능을 개선하는데 핵심적인 역할을 하는 스위치에 대해 살펴본다. 또한 스위치의 주요 패러미터가 전반적인 시스템 디자인에 미치는 영향과 대역 요구사항 충족과 기본적인 디자인 과제에 대해 설명한다. 마지막으로 신중한 보드 레이아웃을 통해 아이 다이어그램에서 오프닝을 극대화하는 방법도 소개한다.

글│에바 머피(Eva Murphy), 파드래그 핏제럴드(Padraig Fitzgerald), 아나로그디바이스

캐패시턴스

On 상태에서 CMOS 스위치의 캐패시턴스는 스위치 크기에 따라 증가한다. 하지만 On 저항을 낮추려면 스위치 크기를 늘려야 하기 때문에 Ron과 캐패시턴스 사이에 직접적인 상호 절충 관계가 형성된다. 스위치의 대역을 제어하는 이 캐패시턴스는 스위치 캐패시턴스가 10pF를 초과하면 신호 품질이 크게 손상되는 고속 USB 신호에서 더 중요한 역할을 한다.

캐패시턴스가 높으면 에지의 속도가 느려지고 아이 다이어그램에서 마스크를 침범하게 된다. 이는 그림 5에서 ADG736 및 ADG774A USB 고속 아이 다이어그램을 비교하여 확인했다. ADG736의 대역은 200MHz이며 ADG774A는 대역이 400MHz이고 캐패시턴스가 매우 낮다. USB 최대 속도의 경우 6MHz(12Mbps) 이상의 -3dB 스위치 대역이 필요하고 고속 USB는 240MHz(480Mbps)의 스위치 대역이 필요하다. 레이아웃 엔지니어는 캐패시턴스 대칭성을 유지하기 위해 스위치 레이아웃을 아주 유사하게 만들어야 한다.

전파 지연

폐쇄 상태의 CMOS 스위치는 자체적으로 스위치를 통과하는 디지털 신호에 무시할 만한 수준의 지연을 발생시킨다. 스위치는 경로에 버퍼를 사용하지 않고 직렬 저항으로 모델링할 수 있다. 스위치 때문에 증가하는 실질적인 지연은 신호가 다이에 도달하고 다시 나가는 데 걸리는 시간뿐이다. 이 값은 피코초 단위의 값이다.

전원

저속 및 최대 속도 USB의 경우 신호 진폭은 3.3V±10%이다. 따라서 3.6V가 최소 허용 전원 전압이다. 고속 신호의 진폭은 400mV±10%로 3.3V 전원을 사용하는 스위치가 쉽게 통과할 수 있다. USB 케이블의 5V 전력선을 사용하면 CMOS 스위치에 전원을 공급할 수 있다. 또한 최대 속도 신호(3V, 12Mbps)를 통과시킬 때는 전체 신호 범위가 바람직하다.

스위치 보호

USB 사양에 따라 USB 디바이스의 데이터 라인은 24시간 동안 5V 전력선으로 단락하는 것을 견딜 수 있어야 한다. 이는 3.3V(0.35μm 회로선폭) 스위치를 사용하여 원하는 Ron 및 캐패시턴스를 얻는 데 영향을 미친다. 또한 3.3V 전원을 사용하는 핸드셋 등의 이동식 디바이스에도 영향을 준다.

그림 10은 USB 송수신의 입력에서 3.3V 레귤레이터로 전원을 공급 받는 0.35μm 스위치이다. 간단하게 표현하기 위해 한 채널만 표시했다. 이는 USB 애플리케이션에서 0.35μm 회로선폭의 스위치를 사용하는 전형적인 회로이다. 그림 11은 데이터 라인에 5V 전원의 단락(빨간색)이 발생한 것을 보여 준다. 이는 디바이스를 포트에 잘못 연결할 때 발생한다.

단락 회로는 ESD(정전기 방전) 보호 다이오드를 VDD로 순방향 바이어스시킨다. 즉, 500mA가 ESD 다이오드 내부에 지속적으로 흐를 수 있는데 이렇게 되면 CMOS 스위치가 크게 손상될 수 있을 뿐 아니라 24시간 이상을 견디기 어렵다. 이것이 0.35μm 부품 구현의 한계이다.

이 USB 조건을 충족해야 하는 시스템의 경우 디자이너는 이러한 결함 메커니즘을 방지하기 위한 적절한 보호 기능을 제공해야 한다. 가장 쉬운 방법은 저항을 사용하여 전류의 흐름을 제한하는 것이다. 하지만 가장 일반적인 솔루션은 5V 전원을 사용하는 스위치를 사용하여 가능성을 완전히 차단하는 것이다.

소비자 애플리케이션

USB 애플리케이션에 스위치를 사용하는 기본적인 방법을 제시했으므로 이제 특정 분야의 애플리케이션을 살펴보고 애플리케이션에서 스위치를 이용하는 방법에 대해 논의해 보기로 하자. 이중 상당수는 일반적인 토폴로지를 가지고 있다.

이동식 미디어 플레이어(PMP)

PMP는 아시아 지역에서 필수품으로 급부상하고 있다. PMP는 곧 MP3를 대체할 것으로 예상된다. PMP는 TV, VCR, DVD 플레이어, 케이블 박스 또는 위성 방송 수신기에서 직접 녹화할 수 있고 최대 12시간 분량의 비디오, 300,000장의 사진, 16,500곡의 노래 또는 30GB의 데이터를 저장할 수 있다. 이만한 양의 데이터를 저장할 수 있는 휴대형 디바이스에는 사용이 편리한 고속 인터페이스가 있어야 한다.

엄선된 인터페이스(주로 USB 고속)는 USB 카메라, USB 카드 판독기 또는 USB 하드 드라이브에서 사용할 수 있다. 이런 종류의 제품에 대한 소비자 수요를 분석하면 슬림한 휴대형 디바이스가 대세이기 때문에 부피가 큰 전통적인 헤드폰 커넥터를 사용한다는 것은 생각조차 할 수 없다. 헤드폰 커넥터의 자리는 소형 USB 커넥터가 차지했고 이 커넥터는 USB 데이터 스트림과 오디오 출력이 공유한다.

그림 12에서처럼 스위치는 일반적으로 아날로그 오디오 출력의 USB 신호를 분리하는데 필요하다. 이는 데이터 모드에 있을 때 커넥터 D- 및 D+ 핀에서 오디오 신호를 분리하여 반사를 최소화한다. 신호의 빠른 로직 상태 전환 중에 발생하는 반사는 비트 오류 횟수를 증가시키고 USB의 500ppm 정확도 요구사항에 어긋나게 된다.

고속 연결

이런 유형의 애플리케이션에서는 대역이 넓고 On 저항 매칭이 우수한 스위치가 USB 신호의 에지 왜곡을 최소화하는 데 도움이 되는 반면, 오디오 모드(출력이 헤드폰에 연결되어 있음)에서는 낮은 On 저항(약 2.5Ω)과 낮은 THD(전 고조파 왜곡)(약 0.1%)가 오디오 왜곡을 최소화하는 데 필수적이다.

핸드셋/휴대폰

핸드셋에 기능이 추가되면서 디자이너의 과제도 늘어났다. 현재 나와 있는 핸드셋의 상당수가 PC 연결 시 케이블 연결을 사용한다. 이 케이블 연결을 사용하여 이메일, 달력, 전화 번호부, 알람 시계, 음성 메모 및 계산기 등의 데이터를 전송한다. 핸드셋에 카메라가 내장되어 있는 경우 사진 다운로드 기능도 빼놓을 수 없는 사안이다.

따라서 핸드셋은 USB 호환 스위치의 필요성을 낳는 수많은 기능이 있을 수 있다. 가장 일반적인 요구사항 중 하나는 다른 데이터 표준 사이를 전환하는 것이다. 예를 들면, UART와 USB 표준을 전환하는 것을 들 수 있다. 핸드셋 제조업체는 고객이 데이터 전송 표준을 선택할 수 있는 기능을 제공하려고 하지만, 인터페이스마다 필요한 커넥터를 모두 보유하는 데 요구되는 면적을 감당할 수 없다. 가장 쉬운 해결책은 공통 커넥터에 많은 핀을 멀티플렉싱하는 것이다. 그림 13에는 이 방법의 예가 나와 있다.

고급 휴대폰 디자인에서 LCD 평판 디스플레이 및 카메라 해상도를 높이려면 내장 하드 드라이브 또는 축소형 외장 메모리 카드와 같은 대용량 스토리지 디바이스가 필요하게 된다. 대부분의 휴대폰은 PC 호스트와 통신하기 위한 USB 인터페이스를 갖춘 독립 실행형 하드 드라이브 컨트롤러를 사용한다. 베이스밴드 프로세서의 전체 속도 I/O 포트를 주소록 등의 데이터를 동기화하는 데 사용할 경우 한 USB 포트를 공유하면 문제가 발생하게 된다. 디자인은 그림 14의 예에서처럼 휴대폰의 USB 연결을 멀티플렉싱하여 단순화할 수 있다.

위에서 기술한 핸드셋의 두 가지 기능 모두에 대해 디자이너가 고려해야 하는 사양은 다음과 같다.
․선택한 USB 표준의 대역 요구사항을 만족하는가?

․On 저항 매칭 및/또는 전파 지연 일치

․낮은 On 저항 평탄도/지터 증가분 최소화

․전원 및 패키지 크기

그 밖의 핸드셋 기능으로는 포트/버스 분리가 있다. 이 기능은 핸드셋에만 국한되는 것이 아니라 디지털 스틸 카메라(DSC), PMP 및 펜 드라이브 등의 다른 휴대형 디자인에도 사용된다.

스위치는 외부 잡음이 끼어들 수 있는 내부의 ASIC을 보호하는 데 공통적으로 사용된다. 하지만 이보다 훨씬 중요한 사항이 있다. USB OTG 인터페이스를 갖춘 고급 휴대형 디자인의 경우 USB PHY(USB 물리층 송수신기)가 외부 영역과 분리되어 있어 두 대의 휴대폰 같은 DRD 간에 잘못된 SRP (Session-Request-Protocol) 펄스를 트리거할 위험을 크게 줄여 준다.

이 애플리케이션에서 선택한 스위치의 사양은 스위치 포트가 열려 있고 USB 포트를 사용하지 않을 때 필요한 오프 분리(Off-Isolation) 기능이다(그림 15). 반면 USB 버스가 활성화될 때는 결정적 지터를 최소화하기 위해 넓은 스위치 대역이 필요하다. 많은 아나로그디바이스 스위치가 이러한 애플리케이션에 적합하다. 이 기사의 마지막에는 유용한 정보를 일목요연하게 정리한 표가 마련되어 있다.

무선 펜 드라이브 및 무선 어댑터

USB 플래시 드라이브(펜 드라이브)는 모바일 기능, 무선 기능 및 확장 가능한 메모리 크기 때문에 직장 및 가정용 애플리케이션 모두에서 유용한 데이터 공유 툴로 사용되고 있다. 널리 사용되는 또 다른 디바이스의 예로는 USB 무선 어댑터이다. 이 디바이스는 PC에 연결하기만 하면 Centrino 칩 등을 사용할 필요 없이 무선으로 인터넷에 연결할 수 있다. 메모리 스토리지 기능이 있는 무선 USB 어댑터는 해외 출장이 잦은 비즈니스 고객이 무선 인터넷 기능과 저장/검색 기능을 편리하게 전환할 수 있도록 해 준다.

하드 디스크 드라이브 또는 컴팩트 플래시 메모리 컨트롤러와 같은 대부분의 스토리지 디바이스에는 무선 LAN PHY에 통합되어 있지 않은 고속 USB 인터페이스가 탑재되어 있다. USB 사양 스위치는 플래시 메모리 스토리지와 무선 기능을 전환하므로 이러한 디자인 과제를 쉽게 해결할 수 있다(그림 16). 무선 USB 어댑터가 소모하는 전력의 대부분이 호스트 애플리케이션의 버스에서 발생하기 때문에 전력 소모가 적은 것이 바람직하다. 펜 드라이브 내부의 사용 가능한 PCB 공간이 매우 제한적이므로 이러한 애플리케이션에는 얇고 작은 패키지가 필수적이다.

개인용 컴퓨터(PC)

USB 시스템의 중심에는 대개 PC가 있다. PC는 USB OTG 시스템을 제외한 모든 경우에서 시스템의 호스트 역할을 한다. 핸드셋, 디지털 스틸 카메라, 모뎀, 키보드, 마우스 및 일부 CD-ROM 드라이브, 테이프/플로피 드라이브, 디지털 스캐너 및 특수 프린터와 같은 수많은 전통적인 USB 1.1 주변장치는 모두 PC와 상호 연결된다.

현재 USB 2.0 고속은 MPEG-2 비디오 기반 제품, 데이터 글로브 및 디지타이저 등과 같은 전혀 다른 차세대 주변장치를 수용한다. USB는 운영 체제 및 기타 시스템 소프트웨어와 마찬가지로 대부분의 PC 칩셋에 내장되어 제공되며 PC 가격에 큰 영향을 미치지 않는다. 추가 카드 및 별도의 전원 공급 장치가 필요 없는 USB 덕분에 PC 주변장치 가격은 USB가 없을 때보다 저렴하다. 또한 USB의 핫스왑 기능을 통해 사용자는 주변장치를 쉽게 연결하고 분리할 수 있다.

핸드셋에서와 마찬가지로 CMOS 스위치를 사용하여 USB 스위치를 내부적으로 확장할 수 있는데, 이때 주변장치 멀티플렉싱을 이용하면 된다. 그림 17은 여러 PC가
한 대의 프린터를 공유하는 모습을 보여 준다.

보드 레이아웃 고려 사항

신호 라우팅은 USB 시스템 성능에 핵심적인 요소이다. 이 섹션에서는 권장 USB PCB 신호 라우팅에 대해 자세히 설명한다. 다음 설명은 보드 및 케이블 디자이너가 모든 USB 속도에서 USB 신호에 최소한의 영향을 주는 보드를 디자인할 수 있도록 USB-IF에서 선택한 시스템을 기준으로 한 것이다.

앞에서 언급했듯이 USB는 45Ω 단일 종단 전송선 시스템을 기반으로 한다. USB는 신호 무결성을 최적화하기 위해 즉, 고속 신호의 반사 및 신호 손실을 방지하기 위해 D+ 및 D- 트랙이 접지면에 대해 45Ω의 임피던스를 나타내야 한다.

이와 별도로 D+ 및 D- 선은 90Ω의 상호 임피던스를 갖는 것이 좋다. 즉, D+와 D- 사이의 임피던스가 90Ω이 되어야 한다는 뜻이다. 또한 차동 트레이스 간격을 구하는 데는 임피던스 계산기를 사용하는 것이 좋다. 그림 18의 예에는 유용한 1온스 구리 간격 계산이 나와 있다.

계속해서 위의 예를 보면 트랙 폭이 7.5mils(0.1905mm)임을 알 수 있으므로 45Ω의 단일 종단 임피던스에 대한 레이어 적층(Stackup) 깊이를 계산할 수 있다. Prepreg는 유전체로 보통 Rogers 물질이나 FR4다. 이 물질의 유전 상수는 접지면까지의 깊이를 계산하는 데 없어서는 안 되는 요소이다. 그림 19의 예에서 Prepreg는 유전체 두께가 4.5mils이고 1온스 구리 트레이스와 플레인을 갖고 있다.

위의 적층에서 두 개의 내부 플레인을 사용하여 4레이어 보드의 맨 위에서 맨 아래까지 신호를 라우팅한다. 2레이어 보드의 경우 적층은 동일한 간격과 유전체를 사용할 때 신호 트랙, Prepreg, 접지면만 포함한다.

위의 적층과 간격을 사용하는 그림 20의 보드를 사용하여 아나로그디바이스의 CMOS 스위치가 USB 형식 측정에 적합한지 평가했다. 이 보드에는 USB 커넥터도 통합되었다.

고속 USB의 상승 및 하강 시간 에지가 무려 500 피코초로 고속일 때 임피던스 불일치로 전송선 반사가 일어날 수 있다. 반사를 피하려면 스위치를 USB 드라이버 출력에 최대한 가까이 배치하는 것이 좋다. 그러면 스위치는 드라이버 출력에서 럼프(Lumped) 부하로 간주되고 신호 반사가 최소화된다. 또한 이러한 배치 방식은 EMI 성능을 개선하는 데도 도움이 된다.

차동 신호를 전달하는 트레이스 길이차를 최소화하여 채널 간 스큐를 최적화하는 것이 좋다. 이는 결정적 지터(랜덤 지터가 아닌 지터로 반복적으로 발생하거나 예측할 수 있는 지터)를 줄이는 데도 기여한다. 또한 신호 무결성을 최적화하려면 USB 드라이버와 커넥터 사이의 트레이스 길이를 최소화해야 한다. 대역이 낮을수록 USB 신호의 에지 롤오프(Roll-Off)가 발생하기 쉽고 위상 지터와 잡음도 커진다.

4레이어 디자인의 속성인 전원면과 접지면 사이의 자연적 감결합 캐패시터 외에도 추가로 병렬(Paralleled) 감결합 캐패시터(1mF 및 0.1mF)를 스위치의 Vdd 핀 가까이 부착하는 것이 좋다. 애플리케이션에 스위치에서 이미 사용하고 있는 것(예: ADG787은 2kV HBM)보다 높은 ESD 성능이 필요하면 외부 ESD 디바이스를 버스에 추가할 수 있다. 하지만 외부 ESD 디바이스의 입출력 캐패시턴스는 1pF 미만이어야 하고 버스 부하를 최소화하기 위해 디바이스를 USB 커넥터 포트 가까이 배치하는 것이 바람직하다.

정적 전력 소모를 최소화하려면 스위치 제어 신호의 변동폭을 0V와 Vdd 사이에서 최소화해야 한다.

마지막으로 USB 컨트롤러의 출력 신호 아이 다이어그램에 통과 여유분(Passing Margin)이 거의 없거나 이미 USB 아이 마스크 요구사항을 충족하지 못하는 경우에는 스위치를 추가해도 아이 요구사항을 준수하지 못한다. 아이를 개선하려면 스위치를 통합하기 전에 컨트롤러의 출력 드라이브를 증가시키거나 보드 레이아웃 문제를 해결해야 한다.

결론

휴대형 및 핸드헬드 애플리케이션 모두에서 USB 기능이 날로 보편화되고 있는 가운데 전력 소모가 극히 낮은 고품질 스위치가 핵심적인 역할을 하고 있다. 점유면적이 적은 소형 패키지의 아나로그디바이스 스위치로 디자이너는 저렴한 비용으로 기존 전체 속도 플랫폼에 고속 기능을 추가하고 애플리케이션의 제품 출시 기간을 앞당길 수 있다. 끊임 없는 혁신, 디자인 가속화 및 제조 주기 단축에 대한 소비자의 요구가 원동력이 된 이런 요소들은 디자이너에게 필수적인 고려 사항이 되었다.

<자료제공: 월간 반도체네트워크 2006년 08월호>