USB PHY(Physical Layer)

 

USB PHY?

- USB PHY(Physical Layer)는 USB 통신의 물리 계층을 담당하는 하드웨어 모듈

- USB 프로토콜에 따라 데이터를 전송하거나 수신할 때, 디지털 신호와 아날로그 신호 간의 변환

- USB 디바이스 또는 호스트가 실제로 데이터 전송을 가능하게 함

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1. USB PHY의 역할

1-1. 디지털-아날로그 변환 (DAC)

• 디지털 신호를 아날로그 전압 또는 전류로 변환해 USB 라인(D+/D-)으로 출력

1-2.아날로그-디지털 변환 (ADC)

• USB 라인에서 수신한 신호(D+/D-)를 디지털 신호로 변환해 USB 컨트롤러로 전달

1-3. 신호 레벨 조정

• USB 표준(USB 2.0, 3.0 등)에 맞는 전압 및 전류 수준을 유지
• 고속 신호 전송(USB 2.0의 480 Mbps, USB 3.0의 5 Gbps 등)을 지원

1-4. USB 프로토콜 구현 보조

• 신호 인코딩 및 디코딩 (NRZI, 8b/10b 등)
• 동기화 및 클럭 복구
• 디바이스 연결 상태(attach/detach)와 같은 이벤트 감지

1-5. 전력 관리

• USB 라인의 전력 신호(VBUS)를 감지
• 저전력 및 유휴 상태 관리

 

2. USB PHY의 구성 요소

2-1. 트랜시버

• USB 라인(D+, D-)으로 신호를 송수신
• FS (Full Speed), HS (High Speed), SS (Super Speed)와 같은 USB 데이터 전송 속도를 지원

2-2. 클럭 생성기

• 데이터 전송의 동기화를 위해 안정적인 클럭 신호를 생성

2-3. 전력 감지 회로

• USB 디바이스가 VBUS 신호를 통해 연결 상태를 인식

2-4. 차동 증폭기

• USB의 차동 신호(D+/D-)를 증폭하여 신호 왜곡을 최소화

2-5. ESD 보호 회로

• USB 포트에서 발생할 수 있는 정전기 방전을 방지

 

3. USB PHY의 종류

3-1. USB 1.1/2.0 PHY

• Full Speed(12 Mbps)와 High Speed(480 Mbps)를 지원
• 트랜시버가 D+/D- 라인에서 NRZI 인코딩과 디코딩 수행
• 저전력 설계가 강조됨

3-2. USB 3.0 PHY

• Super Speed(5 Gbps)를 지원
• 고속 데이터 전송을 위해 8b/10b 인코딩 사용
• 기존 USB 2.0 PHY와 병렬로 동작

3-3. USB Type-C PHY

• 양방향(리버서블) 연결 지원
• USB PD(Power Delivery)와 호환 가능
• 데이터 및 전력 전송을 동시에 처리

 

4. USB PHY의 통합 방식

4-1. Discrete USB PHY

• 독립된 칩 형태로 제공
• 특정 USB 컨트롤러와 결합해 사용
• 유연성은 높지만 설계 복잡성이 증가

4-2. Integrated USB PHY

• MCU나 SoC에 내장되어 제공
• 간단한 설계와 공간 절약 가능
• 저비용 소형 디바이스에 적합

 

5. 추천 USB PHY IC

5-1. Microchip - USB3300

• USB 2.0 HS PHY
• ULPI 인터페이스 제공
• 저전력 및 고성능 설계

5-2. Texas Instruments - TUSB1210

• USB 2.0 PHY
• ULPI 인터페이스
• 고속 신호 전송과 간단한 설계 지원

5-3. Synopsys - DesignWare PHY

• USB 3.0/3.1 PHY IP
• SoC 설계에 적합

5-4. Cadence - USB PHY IP

• 고속 및 전력 효율적 USB PHY 솔루션

 

6. USB PHY를 사용할 때 고려 사항

6-1. 지원하는 USB 표준

• USB 2.0, USB 3.0, USB Type-C 등 요구 사항에 맞게 선택

6-2. 호환성

• 사용하려는 MCU나 SoC와 인터페이스 호환성 확인 (ULPI, PIPE 등)
• USB 2.0, USB 3.0, USB Type-C 등 요구 사항에 맞게 선택

6-3. 전력 소비

• 저전력 설계가 필요한 경우 ESD 보호와 전력 관리 기능 포함 여부 확인

6-4. 설계 복잡도

• 외부 USB PHY가 필요한지, 아니면 통합된 PHY를 사용할지 결정