〈제1부 : 이더넷 PHY의 기초와 제품 선택하기〉

이더넷 물리층(PHY) 용어에 익숙하지 않은 이들에게는 100BASE-T1, 10 00BASE-T, 100BASE-TX, 10BASE-T, 10BASE-Te 같은 다양한 방식들을 구분하기가 어려울 수 있다. 이 모든 숫자와 약어는 무엇을 뜻하는 것일까? MII(Media Independent Interface)는 무엇이고, 자동차 PHY와 산업용 PHY는 어떻게 다를까? IP 카메라, 텔레매틱스 제어 유닛, 프로그래머블 로직 컨트롤러용으로 PHY는 어떻게 선택해야 할까? 모든 PHY가 다양한 필드버스 요구를 충족할까?

“이더넷 설계 간소화” 시리즈의 1부인 본고에서는 이더넷 PHY의 기초와 최종 애플리케이션으로 적합한 PHY를 선택하는 것에 대해서 설명한다. TI PHY 선택 플로우차트에 따라서 PHY를 간편하게 선택할 수 있다.

이더넷 PHY란 무엇인가?

기본적인 이더넷 PHY는 단순하다. 그림 1에서 보듯이, PHY 트랜시버(트랜스미터와 리시버)가 디바이스와 디바이스를 물리적으로 연결한다. 물리 연결을 위해서 구리선(CAT5 케이블, 가정에서 사용되는 청색 패치 케이블 등)이나 광섬유 케이블을 사용할 수 있다.

인터넷은 원래 대학과 대학 사이에 데이터를 빠르게(신뢰하게) 전송하기 위한 네트워크로 개발된 것으로서, 이로부터 이더넷 네트워킹이 탄생했다. IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers)가 새로운 속도(데이터 레이트), 물리 매체(케이블 소재), PHY 기능들을 도입해서 확장함으로써 이더넷이 컴퓨터 네트워킹만이 아니라 훨씬 더 다양한 분야에 사용되게 되었다.

이더넷 PHY는 어떤 기능을 하는가?

이더넷 PHY는 크게 두 가지 기능을 한다.

첫째, PHY의 디지털 영역은 FPGA, MCU, CPU와같은 MAC(Media Access Controller) 디바이스로 직접적으로 인터페이스 한다. PHY는 다양한 버전의 MII를 사용할 수 있다. 이 인터페이스는 4비트 폭 데이터 버스로서, 송신과 수신 방향으로 제어 라인과 클록 라인을 포함한다. MII는 MAC과 PHY의 속도에 따라서 다양한 형태와 다양한 핀 수로 사용된다. 표 1에 주로 사용되는 M II와 장단점을 요약했다.

둘째, PHY의 MDI(Medium Dependent Interface)는 물리 매체를 통해서 디바이스(FPGA, MCU, CPU 등)와 디바이스를 연결한다. 이 부위는 PHY의 아날로그 영역이다. MDI에 따라서 적합한 이더넷 PHY 선택 PHY의 기능에 대해서 알아보았으니까, 이제 시스템에 적합한 PHY를 선택하는 것에 대해서 알아보자. 대부분의 IC 업체들이 자사 PHY 제품에 대해서 다음과 같은 사양이나 기능을 표기하고 있다.
•데이터 레이트(10Mbps, 100Mbps, 1Gbps)
•인터페이스 지원(MII, RMII, GMII, RGMII, SGMII)
•매체 지원(BASE-T, BASE-Te, BASE-TX, BASE-T1)

먼저 데이터 레이트에서 시작할 수 있다. 해당 제품의 데이터 레이트가 최종 애플리케이션의 요구와 적합한지 확인한다. 그 다음에는 자신의 애플리케이션으로 어떤 표준을 사용할지 결정한다. 예를 들어 2015년부터는 자동차 이더넷이 빠르게 확장되고 있기 때문에, 반도체 업체들이 자동차용으로 관련 제품들을 많이 내놓고 있다. BASE-T1은 BASE-T와 완전히 다르기 때문에 매체 표준이 중요한 고려 사항이다.

또 컨슈머 기기와 대부분의 산업용 애플리케이션은 10BASE-Te, 100BASE-TX, 1000BASE-T를 사용한다. PC가 이들 표준을 지원하기 때문이다. 자동차 애플리케이션의 경우에는 BASE-T1을 지원하는 PHY가 적합하다. 다만 자동차 온보드 진단(OBD) 포트는 예외로서, 이 용도로는 PC 연결을 지원하기 위해서 BASE-T나 BASE-TX 인터페이스를 사용한다. 표 2는 주로 사용되는 MDI와 어떤 시스템들에 사용되는지 보여준다.

대부분의 상업용 및 산업용 PHY가 다중의 데이터 레이트를 지원한다. 이러한 PHY는 자동 협상 기능을 포함한다. 이 기능을 사용해서 PHY가 지원되는 기능들에 대해서 정보를 교환하고, 가능한 가장 높은 속도로 연결할 수 있다.

TI 이더넷 PHY 선택 플로우차트

이더넷 PHY의 기본적인 것을 이해한 다음에는, 그림 2에서 보는 간편한 PHY 선택 플로우차트에 따라서 자신의 디자인으로 적합한 TI 디바이스를 선택할 수 있다. 이더넷 PHY 개요 페이지로 들어가면 산업 4.0용의 DP83826E 저지연 이더넷 PHY와 공간 제약적 자동차 애플리케이션용의 DP83TC811S-Q1 100BASE-T1 이더넷 PHY를 비롯해서 이 플로우차트에 포함된 디바이스들에 대해서 더 자세한 정보를 볼 수 있다.

이 시리즈의 2부(9월호 예정)에서는 PHY 스키매틱 포착과 레이아웃을 할 때 잡음, 방사, 신호 손실을 최소화할 수 있는 방법들을 설명한다.​ 

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