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以太網(wǎng)接口電路的PCB設(shè)計(jì)要點(diǎn)

發(fā)布時(shí)間 :2016-08-30 14:28 閱讀 : 來(lái)源 :技術(shù)文章責(zé)任編輯 :深圳宏力捷PCB設(shè)計(jì)部
上世紀(jì)70年代以太網(wǎng)誕生了,發(fā)展至如今我們對(duì)它并不陌生,浮現(xiàn)在現(xiàn)代化生活的每一個(gè)角落,或許正因它的無(wú)所不在讓其帶著神秘的色彩,今天我們將從其中一個(gè)角度揭開(kāi)其神秘的面紗。
 
  我們現(xiàn)今使用的網(wǎng)絡(luò)接口均為以太網(wǎng)接口,目前大部分處理器都支持以太網(wǎng)口。目前以太網(wǎng)按照速率主要包括10M、10/100M、1000M三種接口,10M應(yīng)用已經(jīng)很少,基本為10/100M所代替。目前我司產(chǎn)品的以太網(wǎng)接口類(lèi)型主要采用雙絞線的RJ45接口,且基本應(yīng)用于工控領(lǐng)域,因工控領(lǐng)域的特殊性,所以我們對(duì)以太網(wǎng)的器件選型以及PCB設(shè)計(jì)相當(dāng)考究。從硬件的角度看,以太網(wǎng)接口電路主要由MAC(MediaAccessControlleroler)控制和物理層接口(PhysicalLayer,PHY)兩大部分構(gòu)成。大部分處理器內(nèi)部包含了以太網(wǎng)MAC控制,但并不提供物理層接口,故需外接一片物理芯片以提供以太網(wǎng)的接入通道。面對(duì)如此復(fù)雜的接口電路,相信各位硬件工程師們都想知道該硬件電路如何在PCB上實(shí)現(xiàn)。
 
  下圖1是以太網(wǎng)接口電路的典型應(yīng)用。我們的PCB設(shè)計(jì)基本是按照這個(gè)框圖來(lái)布局布線,下面我們就以這個(gè)框圖詳解以太網(wǎng)接口電路有關(guān)的布局布線要點(diǎn)。
以太網(wǎng)接口電路典型應(yīng)用-深圳宏力捷
圖1以太網(wǎng)接口電路典型應(yīng)用
 
  1、圖2網(wǎng)口變壓器沒(méi)有集成在網(wǎng)口連接器里的參考電路PCB設(shè)計(jì)布局、布線圖,下面就以圖2介紹以太網(wǎng)電路的布局、布線需注意的要點(diǎn)。
以太網(wǎng)電路的布局、布線需注意的要點(diǎn)
  a)RJ45和變壓器之間的距離盡可能的短,晶振遠(yuǎn)離接口、PCB邊緣和其他的高頻設(shè)備、走線或磁性元件周?chē)?,PHY層芯片和變壓器之間的距離盡可能短,但有時(shí)為了顧全整體布局,這一點(diǎn)可能比較難滿足,但他們之間的距離最大約10~12cm,器件布局的原則是通常按照信號(hào)流向放置,切不可繞來(lái)繞去;
  b)PHY層芯片的電源濾波按照要芯片要求設(shè)計(jì),通常每個(gè)電源端都需放置一個(gè)退耦電容,他們可以為信號(hào)提供一個(gè)低阻抗通路,減小電源和地平面間的諧振,為了讓電容起到去耦和旁路的作用,故要保證退耦和旁路電容由電容、走線、過(guò)孔、焊盤(pán)組成的環(huán)路面積盡量小,保證引線電感盡量小;
  c)網(wǎng)口變壓器PHY層芯片側(cè)中心抽頭對(duì)地的濾波電容要盡量靠近變壓器管腳,保證引線最短,分布電感最?。?/div>
  d)網(wǎng)口變壓器接口側(cè)的共模電阻和高壓電容靠近中心抽頭放置,走線短而粗(≥15mil);
  e)變壓器的兩邊需要割地:即RJ45連接座和變壓器的次級(jí)線圈用單獨(dú)的隔離地,隔離區(qū)域100mil以上,且在這個(gè)隔離區(qū)域下沒(méi)有電源和地層存在。這樣做分割處理,就是為了達(dá)到初、次級(jí)的隔離,控制源端的干擾通過(guò)參考平面耦合到次級(jí);
  f)指示燈的電源線和驅(qū)動(dòng)信號(hào)線相鄰走線,盡量減小環(huán)路面積。指示燈和差分線要進(jìn)行必要的隔離,兩者要保證足夠的距離,如有空間可用GND隔開(kāi);
  g)用于連接GND和PGND的電阻及電容需放置地分割區(qū)域。
 
  2、以太網(wǎng)的信號(hào)線是以差分對(duì)(Rx±、Tx±)的形式存在,差分線具有很強(qiáng)共模抑制能力,抗干擾能力強(qiáng),但是如果布線不當(dāng),將會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的信號(hào)完整性問(wèn)題。下面我們來(lái)一一介紹差分線的處理要點(diǎn):
  a)優(yōu)先繪制Rx±、Tx±差分對(duì),盡量保持差分對(duì)平行、等長(zhǎng)、短距,避免過(guò)孔、交叉。由于管腳分布、過(guò)孔、以及走線空間等因素存在使得差分線長(zhǎng)易不匹配,時(shí)序會(huì)發(fā)生偏移,還會(huì)引入共模干擾,降低信號(hào)質(zhì)量。所以,相應(yīng)的要對(duì)差分對(duì)不匹配的情況作出補(bǔ)償,使其線長(zhǎng)匹配,長(zhǎng)度差通??刂圃?mil以?xún)?nèi),補(bǔ)償原則是哪里出現(xiàn)長(zhǎng)度差補(bǔ)償哪里;
  b)當(dāng)速度要求高時(shí)需對(duì)Rx±、Tx±差分對(duì)進(jìn)行阻抗控制,通常阻抗控制在100Ω±10%;
  c)差分信號(hào)終端電阻(49.9Ω,有的PHY層芯片可能沒(méi)有)必須靠近PHY層芯片的Rx±、Tx±管腳放置,這樣能更好的消除通信電纜中的信號(hào)反射;
  d)差分線對(duì)上的濾波電容必須對(duì)稱(chēng)放置,否則差??赡苻D(zhuǎn)成共模,帶來(lái)共模噪聲,且其走線時(shí)不能有stub,這樣才能對(duì)高頻噪聲有良好的抑制能力。
以太網(wǎng)的信號(hào)線是以差分對(duì)(Rx±、Tx±)的形式存在,差分線具有很強(qiáng)共模抑制能力,抗干擾能力強(qiáng),但是如果布線不當(dāng),將會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的信號(hào)完整性問(wèn)題
 
  3、變壓器集成在連接器的以太網(wǎng)電路的PCB設(shè)計(jì)布局、布線較不集成的相對(duì)簡(jiǎn)單很多,下圖3是采用一體化連接器的網(wǎng)口電路的PCB設(shè)計(jì)布局、布線參考圖:
一體化連接器的網(wǎng)口PCB設(shè)計(jì)布局、布線參考圖-深圳宏力捷
圖3一體化連接器的網(wǎng)口PCB設(shè)計(jì)布局、布線參考圖
 
  從上圖可以看出,圖3和圖1的不同之處在于少了網(wǎng)口變壓器,其它大體相同。不同之處主要體現(xiàn)在網(wǎng)口變壓器已集成至連接器里,所以地平面無(wú)需進(jìn)行分割處理,但我們依然需要將一體化連機(jī)器的外殼連接到連續(xù)的地平面上。
  以太網(wǎng)布局布線方面的要大致就這些,好的PCB設(shè)計(jì)布局布線不僅可以保證電路性能,還可以提高電路性能,筆者水平有限,不足之處歡迎指正交流。


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