USB C 커넥터를 사용한 USB 2.0 OTG 구현회로 (DFP, UFP 란?)

https://www.usb.org/sites/default/files/USB%20Type-C%20Spec%20R2.0%20-%20August%202019.pdf

참조 문서 : USB C Cable and Connctor Specification

 

개념부터 정리하고 가야 설계하기가 편하다.

USB Type C Connect

• Female, Recepter, 리셉터, 보드에 장착되는 부분

• Male, Plug, 플러그, C타입 케이블 꽂는 부분

• USB C 리셉터와 플러그가 서로 연결되면 전력 및 데이터 이동이 생긴다.

 

USB OTG 리셉터

• USB 2.0 에서 OTG기능은 보통의 경우 USB Type B (리셉터+플러그) 를 사용한다.
• OTG 케이블의 배선
  • 아래는 보통의 USB 케이블(위)과 OTG케이블(아래)을 도식화한 것이다.
  • OTG Cable의 4번 핀이 GND와 쇼트되어 있기에 USB HOST는 연결된 장치를 OTG기능이 있다고 인식한다.

 

USB Type B for OTG.

• Type B Cable은 OTG기능을 위한 케이블이다.
• USB 2.0에서 OTG를 사용하기위해 USB type B 커넥터를 사용하는게 원칙이다. (또는 USB type mini B )
• USB Host에 Host를 연결할 때 사용된다. type B쪽 Vbus로 5v가 공급되지 않고 반대쪽 USB A가 연결된 Host에서 전원이 공급된다.
• OTG라는 것이 Host와 Host의 연결을 말하는 것이다. 두개의 전원 소스가 충돌하면 안되기때문에(보드 전원IC 고장의 원인), 전원을 공급하는 Host, 공급받는 Host가 생기는 것이다.
• USB Type B

• USB Type B mini

 

 

 

USB OTG Controller IC를 이용한 방법

우리는 USB Type B가 아니더라도 OTG기능을 하는 USB 포트들을 많이 보아왔다. 어떻게 구현하는 것일까? 먼저 USB Controller IC를 사용 하는 방식이 있다.

• Power Mode 를 선택하여 저속 데이터통신 또는 고속 데이터통신, 충전모드 등을 선택할 수 있게 한다.
• I2C 또는 UART 통신을 사용하여 USB 전원 설정을 변경할 수 있다.
• PHY, 오디오, USB On The Go 기능을 다양하게 구성할 수 있다.
• 보다 안정적인 전원공급과 시퀀스를 가질 수 있어 설계에 용이하다.

USB VBus Power IC를 이용한 방법

• USB 가 OTG로 인식되었을 경우, Power IC를 통해 VBUS에 전원을 공급해 줄 수 있다.
• 아래의 회로를 구성하였을 경우, 장점은 USB Host 에 Host가 연결 되었을 때, 전원 끼리의 충돌을 방지 함이 그 역할이다.
• STM32F411 시리즈의 MCU에서 D+,D-가 각각 PA11과 PA12에 연결되어 있고, GPIO를 통하여 POWER IC에게 ENable신호를 전송한다. POWER IC는 VBUS에 5V의 VDD를 Vout으로 공급한다.
• 허용전류보다 더많이 소모하여 고장나는 것을 방지하기 위하여 POWER IC의 Overcurrent핀이 Overcurrent가 발생할 경우 STM32F411의 GPIO+IRQ Input핀으로 1의 신호를 준다.
• IRQ 신호를 받으면 GPIO ENable 을 0으로 만드는 함수를 실행하여 Vbus 의 전원 출력을 중지한다.
• 물리적으로 연결상태를 파악하여 펌웨어적으로 전원 공급을 구현한다.

USB Type C 에서의 OTG모드 구현

이 글을 쓰게된 이야기의 꽃이다.

USB type B 또는 USB mini B 가 아니라면, OTG는 USB C 에서 어떻게 구현되는 것일까?

• C 타입 케이블은 양쪽이 같은 모양이 같다.
• HOST는 내부 cc핀의 저항값과 C케이블의 cc핀이 연결 될 때 전압차이를 이용하여 OTG기기가 연결되었는지 파악한다.
• OTG기능을 하기위해서는 HOST의 cc핀이 5.1k옴의 저항이 cc1 또는 cc2 핀에 연결된다.
• 이 때, OTG기능이 없는 케이블을 연결한다면, 데이터 교환이나 전원 공급을 한다.
• OTG 기능이 있는 케이블을 연결하면 Vbus를 끊고, 다른 HOST로부터 전원을 공급 받는다.
• USB type C의 OTG기능은 HOST의 cc1 또는 cc2의 5.1k옴과 USB C OTG케이블의 cc핀에 연결된 5.1k옴의 사용이 동시에 충족되어야 완성된다.

 

 

 

USB C 에서 OTG와 전원공급 모두할 수 있도록 Controller IC를 사용하는게 마음이 편하다.

전원 공급과 OTG기능을 모두할 수 있도록 최근에는 USB 3.0 controller IC가 많이 생겨났다.

추후 CC1, CC2 핀과 USB PD 조건에 대한 글을 쓰도록하겠다.

• USB C Controller의 예시로 onsemi 사의 FUSB302B 의 데이터시트를 정독하면 좋다.
• ONSM-S-A0013297915-1 ko.pdf

 

 

DFP (Downstream Facing Port)

DFP는 전압이 하위 연결된 장치로 흐르는 포트를 뜻한다. USB 독 허브 라고 생각하면 이해가 쉽다. Host 포트라고도 하며, DFP는 Host에서 하위 디바이스 사이의 전력을 공급한다.

UFP (Upstream Facing Port)

UFP는 하위 디바이스로부터 전원 및 데이터를 수신하는 포트이다. 이때 하위디바이스가 Host가 되는 역흐름 발생하고 Host와 Host의 연결이 이루어진다. 연결된 허브는 OTG기능을 수행한다고 생각하면 쉽다.

• "Type-A" 포트는 다운스트림 페이싱 포트(DFP)가 됨
• "Type-B" 포트는 업스트림 페이싱 포트(UFP)가 됨

전력 흐름에 따라 싱크, 소스, DRP로

USB 연결 할 때 전력의 흐름에 싱크(sink), 소스(source), DRP(dual role power)라는 용어가 사용된다.

1. 싱크는 연결되었을 때 Vbus에서 전력을 소모하는 포트를 말하며 대게 디바이스이다. 예시로는 USB 구동 조명이나 FAN같은 USB장치를 들 수 있다.
2. 소스는 Vbus를 통해서 전력을 공급하는 포트이다. 주로 호스트나 허브 DFP이다. 소스의 예시로는 Type C 충전기를 들 수 있다.
3. DRP 포트는 싱크로도 작동하고 소스로도 작동하는 두 상태 사이를 전환할 수 있는 포트이다. DRP가 처음 소스로 동작하면 이 포트는 DFP의 데이터 역할을 취한다. DRP가 처음 싱크로 작동하면 이 포트는 UFP의 데이터 역할을 취한다.

왼쪽: 싱크,    중간: 소스,    오른쪽: DRP