KR100711006B1

KR100711006B1 - Ｕｓｂ 장치에서의 ｖｂｕｓ 전력 제어 장치

Info

Publication number: KR100711006B1
Application number: KR1020050022599A
Authority: KR
Inventors: 박종주
Original assignee: (주)엠씨에스로직
Priority date: 2005-03-18
Filing date: 2005-03-18
Publication date: 2007-04-24
Also published as: KR20060100787A

Abstract

본 발명은 USB 장치에서의 VBUS 전력 제어 장치에 관한 것이다.

본 발명은, USB 호스트 기능과 USB 디바이스 기능을 모두 구비한 USB 장치에서 상기 USB 장치의 동작 모드에 따라 VBUS의 전력을 제어하기 위한 장치에 있어서, 주기적으로 동작 모드를 전환하면서 상기 USB 장치에 연결되는 외부의 호스트 또는 외부의 디바이스를 감지하여 상기 USB 장치의 상기 동작 모드를 결정하며, 결정된 동작 모드에 따라 상기 VBUS의 전력을 제어하기 위한 제어 신호를 생성하는 MCU(Micro Controller Unit); 및 상기 MCU로부터 상기 제어 신호를 수신하여 상기 결정된 동작 모드가 디바이스 모드이면 상기 외부의 호스트로부터 상기 VBUS를 통해 전력을 전달받으며, 상기 결정된 동작 모드가 호스트 모드이면 상기 VBUS를 통해 상기 외부의 디바이스로 전력을 공급하되, 누설 전류를 감소시키고 상기 VBUS로 공급한 전력이 상기 USB 장치로 피드백(Feedback)되지 않도록 상기 VBUS를 제어하는 VBUS 전력 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 VBUS의 전력 제어를 위한 장치를 제공한다.

본 발명에 의하면, VBUS 전력을 제어하고 상태를 감지함으로써 하나의 USB 장치에서 호스트 및 디바이스 동작을 구현할 수 있는 효과가 있다.

USB, VBUS, 전력 제어, 호스트, 디바이스

Description

ＵＳＢ 장치에서의 ＶＢＵＳ 전력 제어 장치{Apparatus for Controlling VBUS Power in USB Device}

도 1은 본 발명에 따른 호스트 기능과 디바이스 기능을 모두 구비한 USB 장치의 내부 구성을 간략하게 나타낸 도면,

도 2는 본 발명에 따른 VBUS 전력 제어부를 나타낸 회로도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100: USB 장치 110: 전원 발생부

120: MCU 130: USB 호스트부

140: USB 디바이스부 150: VBUS 전력 제어부

본 발명은 USB 장치에서의 VBUS 전력 제어 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, USB 호스트 기능과 USB 디바이스 기능을 모두 구비한 USB 장치에서 주기적으로 동작 모드를 전환하며 외부에서 연결되는 호스트 또는 디바이스를 감지하여 USB 장치의 동작 모드를 결정하며, USB 장치가 디바이스 모드에서 동작하면 VBUS에 외부에서 전력이 공급되는지를 감지하고 VBUS를 통해 외부의 호스트로부터 전력을 공 급받아 전체 시스템 전력으로 사용하도록 하고, USB 장치가 호스트 모드에서 동작하면 VBUS로 전력을 공급하되 자체 누설 전류를 줄이고 VBUS 전력이 USB 장치의 내부로 피드백되지 않도록 VBUS를 제어하는 USB 장치에서의 VBUS 전력 제어 장치에 관한 것이다.

범용 직렬 버스(USB: Universal Serial Bus, 이하 'USB'라 칭함)는 마우스, 프린터, 모뎀, 스피커 등과 같은 주변 기기와 컴퓨터를 연결하기 위한 인터페이스 장치이다. USB는 주변 기기를 컴퓨터와 연결할 때, 소프트웨어나 하드웨어를 별도로 설정할 필요 없이 모든 주변 기기를 동일한 접속기로 접속하기 때문에 설치가 간편하고 최대 127 개의 장치들을 사슬처럼 연결할 수 있는 장점이 있다. 또한, USB는 컴퓨터를 사용하는 도중에 주변기기를 연결해도 인식하는 플러그 앤 플레이(Plug and Play) 기능을 지원하기 때문에, USB 인터페이스를 갖춘 소형 디지털 기기 등을 컴퓨터에 연결하여 간편하게 사용할 수 있는 장점이 있다.

종래의 USB 규격인 USB 1.1에서는 12 Mbps의 데이터 전송 속도를 지원하였으나, USB 2.0 규격은 USB 1.1 장치들과 호환성을 유지하면서 최대 480 Mbps의 데이터 전송속도를 지원하므로 컴퓨터와 주변 기기 간의 고속 데이터 전송이 가능하다.

USB 장치는 호스트 장치와 디바이스 장치로 구분되는데, 호스트 장치는 디바이스 장치로 전원 공급, 신호 제어 등의 기능을 수행하며, 디바이스 장치는 호스트 장치로부터 받은 신호를 분석하여 그에 상응하는 응답 형태로 동작한다. 따라서, 컴퓨터는 USB 인터페이스를 위한 호스트 장치에 해당하며, 컴퓨터에 연결되는 각종 주변 기기들은 디바이스 장치에 해당한다.

그러나, 컴퓨터가 호스트 장치의 역할을 하는 USB 인터페이스에서는 디바이스 장치를 반드시 컴퓨터에 연결해야만 사용이 가능한 한계를 가지고 있다. 따라서, 최근에는 이러한 문제점을 해결하기 위해 USB 장치가 컴퓨터에 연결되어야 하는 제약을 벗어나 호스트 기능과 디바이스 기능을 모두 갖춘 USB 시스템이 제시되고 있으며, OTG(On-The-Going)가 대표적인 예이다.

OTG는 USB 디바이스 장치들이 자체적으로 호스트 기능을 구비하여 컴퓨터를 경유하지 않고 데이터를 주고받을 수 있는 비종속형 USB 인터페이스이며, PDA(Personal Digital Assistant), 휴대폰, MP3 플레이어 등의 다양한 디지털 미디어 기기의 활용도를 높일 수 있는 장점이 있다.

그러나, 하나의 USB 포트를 이용하여 호스트 기능 및 디바이스 기능을 모두 사용하는 경우에는 동작 모드에 따라 전원 신호(VBUS)의 전력 제어가 용이하지 않다는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, 종래에는 모드 전환 방식을 채택하여 호스트 모드 또는 디바이스 모드를 수동으로 선택하여 해당 모드의 동작을 수행하도록 하는 USB 장치가 제시되고 있으나 아래와 같은 문제점이 있다.

종래의 모드 전환 방식은 사용자 인터페이스 측면에서 불편하며, USB 장치의 전원을 OFF시킨 상태에서 외부의 호스트 장치와 연결하면 자동으로 전원이 켜지지 않기 때문에 USB 장치의 전원을 인가하고 디바이스 모드로 전환해야 하는 문제점이 있다. 또한, USB 장치가 호스트 모드로 동작하는 경우에 누설 전류가 많으며, 동작을 위한 여러 개의 제어 신호가 필요하므로 USB 장치의 구성이 복잡해지는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 본 발명은, USB 호스트 기능과 USB 디바이스 기능을 모두 구비한 USB 장치에서 주기적으로 동작 모드를 전환하면서 외부에서 연결되는 호스트 또는 디바이스를 감지하여 USB 장치의 동작 모드를 결정하며, USB 장치가 디바이스 모드에서 동작하면 VBUS를 통해 외부의 호스트로부터 전력을 공급받으며, USB 장치가 호스트 모드에서 동작하면 VBUS로 전력을 공급하되 누설 전류를 줄이고 VBUS 전력이 USB 장치의 내부로 피드백되지 않도록 VBUS를 제어하는 USB 장치에서의 VBUS 전력 제어 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 목적에 의하면, USB 호스트 기능과 USB 디바이스 기능을 모두 구비한 USB 장치에서 상기 USB 장치의 동작 모드에 따라 VBUS의 전력을 제어하기 위한 장치에 있어서, 주기적으로 동작 모드를 전환하면서 상기 USB 장치에 연결되는 외부의 호스트 또는 외부의 디바이스를 감지하여 상기 USB 장치의 상기 동작 모드를 결정하며, 결정된 동작 모드에 따라 상기 VBUS의 전력을 제어하기 위한 제어 신호를 생성하는 MCU(Micro Controller Unit); 및 상기 MCU로부터 상기 제어 신호를 수신하여 상기 결정된 동작 모드가 디바이스 모드이면 상기 외부의 호스트로부터 상기 VBUS를 통해 전력을 전달받으며, 상기 결정된 동작 모드가 호스트 모드이면 상기 VBUS를 통해 상기 외부의 디바이스로 전력을 공급하되, 누설 전류를 감소시키고 상기 VBUS로 공급한 전력이 상기 USB 장치로 피드백(Feedback)되지 않도록 상기 VBUS를 제어하는 VBUS 전력 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 VBUS의 전력 제 어를 위한 장치를 제공한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

USB 규격 표준안에 따르면, USB 호스트 장치에 USB 디바이스 장치를 연결하면, 호스트 장치에서 디바이스 장치로 전원을 공급하도록 규정되어 있으며 일반적으로 VBUS를 통해 5 V의 전원을 공급하게 된다.

따라서, USB 장치가 하나의 USB 포트를 사용하여 호스트 기능 및 디바이스 기능을 모두 지원하는 경우, 디바이스 모드에서는 VBUS를 감지하여 VBUS를 통해 외부의 호스트로부터 전력을 전달받아 USB 장치의 내부 전력으로 사용하고, 호스트 모드에서는 VBUS로 전력을 공급하되 VBUS의 전력이 USB 장치의 내부로 피드백(Feedback)되지 않도록 VBUS를 제어할 필요가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 호스트 기능과 디바이스 기능을 모두 구비한 USB 장치의 내부 구성을 간략하게 나타낸 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 호스트 기능과 디바이스 기능을 모두 구비한 USB 장치(100)는 전원 발생부(System Power Generator)(110), MCU(Micro Controller Unit)(120), USB 호스트부(130), USB 디바이스부(140) 및 VBUS 전력 제어부(150) 등을 포함하여 구성될 수 있다.

전원 발생부(110)는 USB 장치(100)로 필요한 전력을 공급하며, USB 장치(100)가 호스트로 동작하는 경우에는 USB 장치(100)와 연결된 외부의 디바이스 장치로 VBUS를 통해 전원을 공급한다.

MCU(120)는 USB 장치(100)의 전반적인 동작을 제어한다. MCU(120)는 USB 장치(100)에 연결되는 외부 장치의 종류에 따라 USB 장치(100)의 동작 모드를 결정한다. 즉, MCU(120)는 외부의 호스트가 연결되는 경우에는 디바이스 모드로 동작하고, 외부의 디바이스가 연결되면 호스트 모드로 동작하도록 USB 장치(100)를 제어한다. 이를 위해, MCU(120)는 주기적으로 USB 장치(100)의 모드를 전환하면서 USB 장치(100)에 연결되는 외부 USB 기기가 있는지 여부를 감지한다. 예컨대, USB 장치(100)에 연결된 외부 기기가 없는 경우에는 주기적인 모드 전환을 계속 수행하며, 호스트 모드 주기에서 외부의 디바이스가 연결되거나 디바이스 모드 주기에서 외부의 호스트가 연결되면 주기적인 모드 전환을 멈추고 해당 모드에서 USB 장치(100)가 동작하게 된다.

MCU(120)는 USB(100) 장치가 동작하는 모드(호스트 모드/디바이스 모드)에 따라 VBUS의 전력을 제어하기 위한 제어 신호를 생성하여 VBUS 전력 제어부(150)로 전달한다. 여기서, 제어 신호는 MCU(120)의 GPIO(General Purpose Input/Output)을 통해 VBUS 전력 제어부(150)로 전달되며, MCU(120)의 GPIO는 출력에 대하여는 Open-Drain 포트 기능을 가지고 입력에 대하여는 5V 톨러런트(Tolerant)하고 에지(Edge)나 레벨 디텍터 인터럽트( Detector Interrupt) 기능을 가지도록 설계하여 한 개의 포트로 호스트 모드와 디바이스 모드 모두를 제어할 수 있다.

USB 호스트부(130)와 USB 디바이스부(140)는 MCU(120)의 제어에 따라 각각 USB 호스트 기능과 USB 디바이스 기능을 수행한다. USB 호스트와 USB 디바이스로서의 기능은 당업자에게 널리 공지된 사항이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.

VBUS 전력 제어부(150)는 USB 장치(100)에서 호스트 기능 및 디바이스 기능을 모두 수행할 수 있도록 VBUS를 제어한다. VBUS 전력 제어부(150)는 MCU(120)로부터 제어 신호를 수신하여 결정된 동작 모드가 디바이스 모드이면 외부의 호스트로부터 VBUS를 통해 전력을 전달받으며, 결정된 동작 모드가 호스트 모드이면 VBUS를 통해 외부의 디바이스로 전력을 공급하되, 누설 전류를 감소시키고 VBUS로 공급한 전력이 USB 장치(100)로 피드백되지 않도록 VBUS를 제어한다. VBUS 전력 제어부(150)의 내부 구성에 대하여는 도 2에서 상세하게 설명하도록 한다.

도 2에 도시된 바와 같이, VBUS 전력 제어부(150)는 VBUS와 전원 발생부(110)에 연결되어 있으며, 트랜지스터 Q0 및 Q2에는 MCU(120)로부터의 제어 신호가 전달된다. 도 2에 도시된 회로도의 구성 요소들에 대한 설명은 아래와 같다.

DO는 쇼트키 다이오드(Schottky Diode)로서 외부의 호스트로부터 VBUS로 공급되는 전력이 USB 장치(100)의 전원 발생부(110)로 전달되지 않도록 하는 역할을 한다. 트랜지스터 Q0은 MCU(120)로부터의 제어 신호에 의해 제어되며, USB 장치(100)가 호스트 모드로 동작하면 ON되고, USB 장치(100)가 디바이스 모드로 동작하면 OFF되어 내부의 다이오드에 의해 외부의 호스트와 VBUS를 연결해주는 역할을 한다.

트랜지스터 Q1은 USB 장치(100)가 호스트 모드로 동작하면 ON되어 전원 발생부(110)의 전력을 VBUS로 전달하고 VBUS의 전력이 전원 발생부(110)로 피드백되지 않도록 차단하며, USB 장치(100)가 디바이스 모드로 동작하면 OFF된다. 트랜지스터 Q2는 MCU(120)로부터의 제어 신호에 의해 제어되며, 트랜지스터 Q1을 제어한다.

저항 R1, R2, R3, R4 및 R5는 USB 장치(100)의 누설 전류를 감소시키키 위해 사용할 수 있다. USB 장치(100)가 호스트 모드로 동작할 때 발생하는 누설 전류 I = 5V/R1 + 5V/R2 + 5V/R4로 표현할 수 있으며, R1, R2 및 R4의 값을 충분히 크게 정하면 누설 전류를 감소시킬 수 있다. 예를 들어, R1 = 800k, R2 = 800k, R3 = 800k이면, 누설 전류는 약 18.75 μA가 된다. USB 장치(100)가 디바이스 모드로 동작하는 경우에는 외부의 호스트로부터 VBUS을 통해 전력을 공급받으므로 누설 전류를 고려하지 않아도 무방하며, 이 경우의 누설 전류 I = 5V/R5로 표현할 수 있으므로 R5의 값이 충분히 크면 누설 전류의 영향은 미미하다.

한편, 본 발명의 USB 장치(100)는 VBUS 전력 제어부(150)를 이용하여 자동 파워-온(Power-On) 기능을 수행할 수 있다. USB 장치(100)의 전원이 OFF된 상태에서 외부의 호스트 장치가 USB 장치로 연결되면, 외부의 호스트 장치에서 VBUS로 공급되는 전력이 R1과 R4를 통해 전달되어 트랜지스터 Q2와 트랜지스터 Q1이 ON 상태가 되며, 트랜지스터 Q1을 통해 전원 공급부(110)와 연결되어 USB 장치(100)가 자동으로 구동될 수 있다.

한편, CONTROL SIGNAL1은 시스템의 그라운드(Ground)에 연결하거나 MCU(120) 를 통해 제어할 수 있는데, MCU(120)를 통해 제어하는 경우에는 호스트 모드일 때 MCU(120)의 GPIO 상태를 입력으로 하고, 호스트 모드에서 디바이스 모드로 전환할 때 VBUS 전력을 빨리 방전시키기 위해 GPIO 상태를 출력으로 전환하여 '0'을 출력한 후 다시 입력으로 전환하게 할 수 있다. 즉, 본 발명의 바람직한 실시예에서는, 호스트 모드에서 디바이스 모드로 전환할 경우 VBUS의 전력을 빨리 방전시키기 위해 CONTROL SIGNAL1 제어 신호를 사용하거나, CONTROL SIGNAL1 제어 신호를 접지시키거나 또는 CONTROL SIGNAL1 제어 신호를 통해 외부 호스트를 감지하게 할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 사상과 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은, 호스트 및 디바이스 기능을 모두 구비한 USB 장치에서 수동으로 동작 모드를 지정할 필요없이 주기적으로 동작 모드를 전환하면서 외부에서 연결되는 호스트 또는 디바이스를 감지하여 자동으로 동작 모드를 결정할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 VBUS 전력을 제어하여 USB 장치가 호스트 모드에서 동작하는 경우에 누설 전류를 최소화하고 VBUS로 공급한 전력이 USB 장치의 내부로 피드백되지 않도록 하여 USB 장치의 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.

Claims

USB 호스트 기능과 USB 디바이스 기능을 모두 구비한 USB 장치에서 상기 USB 장치의 동작 모드에 따라 VBUS의 전력을 제어하기 위한 장치에 있어서,

주기적으로 동작 모드를 전환하면서 상기 USB 장치에 연결되는 외부의 호스트를 감지하여 상기 USB 장치의 상기 동작 모드를 결정하며, 결정된 동작 모드에 따라 상기 VBUS의 전력을 제어하기 위한 제어 신호를 생성하는 MCU(Micro Controller Unit); 및

상기 MCU로부터 상기 제어 신호를 수신하여 상기 결정된 동작 모드가 디바이스 모드이면 상기 외부의 호스트로부터 상기 VBUS를 통해 전력을 전달받으며, 상기 결정된 동작 모드가 호스트 모드이면 상기 VBUS를 통해 상기 외부의 디바이스로 전력을 공급하되, 누설 전류를 감소시키고 상기 VBUS로 공급한 전력이 상기 USB 장치로 피드백(Feedback)되지 않도록 상기 VBUS를 제어하는 VBUS 전력 제어부를 포함하여 구성되되,

상기 VBUS 전력 제어부는, 상기 외부의 호스트로부터 상기 VBUS로 공급되는 전력이 상기 USB 장치의 전원 발생부로 전달되지 않도록 차단하는 쇼트키 다이오드(Schottky Diode) D0; 상기 제어 신호에 의해 제어되며, 상기 결정된 동작 모드가 디바이스 모드이면 OFF되어 트랜지스터 내부의 다이오드에 의해 상기 외부의 호스트와 상기 VBUS를 연결하며, 상기 결정된 동작 모드가 호스트 모드이면 ON되도록 제어되는 트랜지스터 Q0; 상기 결정된 모드가 디바이스 모드이면 OFF되며, 상기 결정된 모드가 호스트 모드이면 ON되어 상기 전원 발생부의 전력을 상기 VBUS로 전달하고 상기 VBUS의 전력이 상기 전원 발생부로 피드백되지 않도록 차단하는 트랜지스터 Q1; 상기 제어 신호에 의해 제어되며, 상기 트랜지스터 Q1을 제어하는 트랜지스터 Q2; 및 상기 USB 장치의 누설 전류를 감소시키는 저항 R1, R2, R3, R4 및 R5를 포함하고,

상기 제어 신호는 상기 MCU의 GPIO(General Purpose Input/Output)을 통해 상기 VBUS 전력 제어부로 전달되며, 상기 GPIO는 출력에 대하여는 Open-Drain 포트의 기능을 가지고 입력에 대하여는 5V 톨러런트(Tolerant)하고 에지(Edge)나 레벨 디텍터 인터럽트(Level Detector Interrupt) 기능을 가지고서, 상기 MCU는 상기 GPIO를 통한 상기 VBUS 전력 제어부로부터의 입력에 근거하여 상기 외부의 호스트의 연결 여부를 감지하는 것

을 특징으로 하는 VBUS의 전력 제어를 위한 장치.
삭제
삭제
제 1 항에 있어서,

상기 USB 장치의 전원이 OFF된 상태에서 상기 외부의 호스트가 상기 USB 장치로 연결되면, 상기 외부의 호스트에서 상기 VBUS로 공급되는 전력이 상기 저항 R1과 상기 저항 R4를 통해 전달되어 상기 트랜지스터 Q2와 상기 트랜지스터 Q1이 ON 상태가 되며, 상기 트랜지스터 Q1을 통해 상기 USB 장치의 상기 전원 발생부와 연결되어 상기 USB 장치가 자동으로 구동되는 것을 특징으로 하는 VBUS의 전력 제어를 위한 장치.
삭제
삭제