(1) USB Type-C 규격
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저번의 M.2 처럼 USB Type-C 역시 단순한 커넥터-케이블 규격이 아니라
아주 복잡한 규격입니다.(미리 겁먹지는 마세요 ㅋ)
USB Type-C는 다음 규격이 모여서 2014년 USB 3.1 규격과 함께 발표 되었습니다.
- USB 2.0 규격/ USB 3.1 규격
- USB Power Delivery 규격 2.0/3.0
- USB Battery Charging 규격 1.2
이러한 규격과 더불어 커넥터/케이블, 전자/기구 성능, Pin/Signal, 채널설정, 전력, 대체 모드,
능동케이블 요구조건 등 여러 구조적인 요소들을 포함하고 있습니다.
이 많은 사항을 논의 하기에는 지면이 부족하므로 최대한 간략하게 설명하겠습니다.
(2) 기구 및 신호 규격
아래 그림 1.은 기존의 USB 1.0/2.0 등이 USB Type-C의 하나의 규격으로 수렴하는 것을
보여주는데 우선 USB Type-C의 기구적인 기준을 알아 보겠습니다.
- 24 pin receptacle : 8.3 mm by 2.5 mm
- Flip-able, reversible plugs/cables
- Current ratings : 3 A for standard cables, 5 A for connectors
그림 1. USB Type-C Plug Form Factor
그림 1.에서 보듯이 24핀의 커넥터로 USB 2.0과 USB 3.1을 아울러서 아래 표1/2. 에 보인 것처럼
24개의 pin이 USB 2.0/USB 3.1 신호에 할당되어 있습니다.
표 1. USB Type-C 신호
표 2. USB Type-C Plug and Cable Wiring
아래 그림 2.는 Cable 의 단면모양 으로
그림 2. USB Type-C Cable
케이블의 색은 의무사항은 아닙니다.
표 2.를 자세히 보면 USB 2.0은 Differectial 신호인 SSTx/SSRx 신호를 사용하지않고
Twisted pair Dp1/Dn1만 사용하고, USB 3.1은 SSTx/SSRx의 Differential 신호를 사용하여
데이터를 전송할 수 있습니다.
USB Type-C의 plug와 receptacle은 아래 그림 3. 과 같습니다.
그림 3. USB Type C Plug and Receptacle
(3) USB Type-C Cable
USB Type-C는 USB 2.0과 USB 3.1을 다 포함하는데
1) USB 2.0 케이블
- 표2 에서 보듯이 Dp1/Dn1 pin 만 사용
- 길이 4m 까지
- 3 A(최대 60W@20V) 전류 지원
2) USB 3.1 케이블
- 표2 에서 보듯이 SSTx/SSRx pin 사용
- Gen1(5 Gbps) 2 m 이하, Gen2(10 Gbps) 1 m 이하
- 3 A(최대 60W@20V) 전류 지원
3) 공통사항
- Full featured USB-C 케이블은 ID Function Chip을 내장해야함
: ID Function Chip 에 포함 되어야 할 정보
USB PD 2.0에 기초한 VDM(Vendor Define Message)과 Channel Configuration 정보
제품/제조업체, 신호규격(2.0/Gen1/Gen2), 수동/능동 구조, Vconn 파워, Vbus 전류,
Latency, RX/TX 방향성, SOP 제어모드, HW/FW version
- 기본 3A(60W@20V) 전류지원, 5 A 이상 지원시에는 전자마커칩이 내장되야 함.
- USB 충전 포트에는 지원되는 전력 Wattage 가 명기 되어야함.
- Gen 2는 SuperSpeed+(SuperSpeed 10 Gbit/s) 로고 표시가 있어야 함.
- USB-IF 인증 케이블만 사용(권고 사항)
참고로 아래 표 3.에 USB 규격들의 Power 및 표 4.에 Power Delivery 기준을 보였습니다.
표 3. USB Power 규격
표 4. USB Power Delivery Rules
현재 USB Power Delivery 2.0에서는 v1.0의 6개의 Profile을
0.5 ~ 100W 까지 5 단계 출력과 4개의 전압(5/9/15/20)으로 간략화 하였다.
(4) Alternate 모드
USB Type-C는 USB 2.0/USB3.1 데이터 뿐만 아니라 4개의 SSTx/SSRx Pin을 이용하여
다른 프로토콜의 데이터들을 전송 할 수 있는데 대표적으로 아래 표 5.에 나온 규격들의
신호를 전송 할 수 있으며, 특히 Thunderbolt 3.0은 전적으로 USB Type-C 커넥터와
케이블을 이용하여 신호를 전송하며 Gigabyte의 마더보드 제품들이 많이 지원하고 있습니다.
표 5. Alternate Mode
앞으로는 USB Type-C 가 위와 같은 규격들을 모두 지원하여 PC나 스마트폰 모두가 하나의
커넥터로 통일 될 것으로 보이나, DisplayPort 1.4(8K: 7680 x 4320) 등 고화질 규격은 제외,
보급초기라 아직은 충전용으로 또는 적게는 Thunderbolt 2.0/3.0 용도로 사용되고 있습니다.
아래 표 6.은 Alternate mode 시 각 규격간의 신호 전송 호환 Matrix를 보여주고 있다.
(수동/능동 Cable 조합 포함)
표 6. Alternate Mode Protocol 호환 Matrix
위 표 6.이 복잡하게 보이는 데 쉽게 설명하기 위해서 DisplayPort 1.3 신호를 전송하는 경우를
예를 들어 표 7.에서 보이겠습니다.
위 표 7.에서 DisplayPort 1.3 표준에서는 각 신호 lane당 8.1 Gbit/s의 신호를 전송할 수
있는데 최대 2x 4K or 5K 영상전송이 가능하며 이것을 전송하는 모드를 HBR 3 mode 라고
하는데 HBR 3 mode에서 4K+USB3.1 전송과, 5K+USB2.0 전송의 두가지 경우를 예를 들어
보이겠습니다.
1) 4K UHD + USB 3.1 전송
최대 2개의 4K UHD@60Hz (12.54 Gbit/s 대역 요구) 전송이 가능한 DisplayPort 1.3 규격에서
(DisplayPort 규격 참조바람), 4K UHD@60Hz 영상하나만 전송한다면 남아도는 대역폭을
USB 3.1 데이터를 전송하는데 사용할 수 있습니다.
이것은 USB Type-C의 SSTx/SSRx 4개의 lane중 2개(2 x 8.1 Gbit/s) lane 을 사용하면
무난히 4K UHD(12.54 Gbit/s) 전송이 가능하며, 그리고 남는 2 lane을 USB 3.1(10 Gbit/s)에
할당한다면 동시에 4K UHD/USB 3.1 데이터 전송이 가능함을 알 수 있습니다.
2) 5K + USB 2.0 전송
이번에는 5K(5120 x 2880@60Hz) 영상 하나만 전송할려면 22.18 Gbit/s 의 대역폭이 필요한데
(DisplayPort 규격 참조바람), USB Type-C의 SSTx/SSRx 4 개 lane 전체를 다 사용해서 전송해야
함을 알 수 있습니다.
(lane 할당 기준은 1 or 2 or 4 lanes , 세가지중 하나만 가능)
(아니면 4K UHD@60Hz 영상 2개를 한꺼번에 전송도 가능)
그리고 USB 2.0은 별도의 Pin인 Dp1/Dn1 Pin을 이용하여 따로 동시에 전송이 가능합니다.
아래 그림 4.에 대략적인 신호 연결을 USB Type-C 연결도로 보입니다.
표 6.에서 Alternate 모드시에 Thunderbolt 3.0(40 Gbit/s) 데이터를 passive 케이블로
전송시에는 케이블 길이가 0.5m 를 넘으면 안되며, USB 3.1 데이터는 4 개의 Differential lane을
다 사용안할 시에는 함께 사용이 가능하며, Power Delivery는 USB 2.0/USB 3.1 다 가능합니다.
참고로 Alternate mode시의 HDMI over USB Type-C pin mapping 을 아래 그림 5.에 보입니다.
(5) 종합
2014년 8월 USB 3.1 규격과 함께 출시 된 USB Type-C 는 업계 전반에서 지지를 받고
있어서 앞으로 다양한(Audio/Video/Power, etc) 분야에 널리 퍼지리라 보고 있으며
단순히 충전 기능만 제공하는 것이 아니라 산업전반에서 유용한 규격으로 두루
사용될 것으로 생각됩니다.
* 좀더 자세한 설명이 필요하나 많이 부족하리라 생각되며 앞으로 새로운 응용분야나
기술이 전개되면 다시 글을 올려 보겠습니다.
참고)USB-IF, Wikipedia, Microchip Inc.
