網(wǎng)絡(luò)接口布線設(shè)計(jì)案例

01概述

在嵌入式工控系統(tǒng)中，常用的是10Mbps/100Mbps網(wǎng)絡(luò)接口。但是由于CPU快速的發(fā)展，1000Mbps網(wǎng)絡(luò)也開始在嵌入式系統(tǒng)中使用。

它們的通訊頻率都是100BASE-TX標(biāo)準(zhǔn)：125MHz。英創(chuàng)公司的ESM6802嵌入式主板，可以提供1000Mbps網(wǎng)絡(luò)接口，符合1000BASE-T（IEEE802.3ab）標(biāo)準(zhǔn)。

對于10Mbps/100Mbps兼容網(wǎng)絡(luò)，有2對差分信號線，TX（TX+、TX-）和RX（RX+、RX-），信號TX與RX是相互獨(dú)立的信號線。

對于英創(chuàng)公司提供的1000Mbps網(wǎng)絡(luò)，可以向下兼容10Mbps/100Mbps網(wǎng)絡(luò)，使用4對差分信號線，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，會(huì)使用全部4對差分信號線。所以對于PCB走線，要求更高。

然而不少的客戶在對以太網(wǎng)端口進(jìn)行布線設(shè)計(jì)時(shí)，并沒有按照以太網(wǎng)信號的差分、阻抗要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，或者沒有考慮網(wǎng)絡(luò)端口的ESD相關(guān)問題，最終導(dǎo)致一部份設(shè)備會(huì)出現(xiàn)無法預(yù)期的異常，或出現(xiàn)損壞率很高的情況。

這篇文章會(huì)基于英創(chuàng)公司的嵌入式工控主板接口，簡單描述網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計(jì)時(shí)需要注意的地方，以提高產(chǎn)品的穩(wěn)定與可靠性。

02網(wǎng)絡(luò)信號走線要求

同于網(wǎng)絡(luò)通訊常用的UTP CAT5e網(wǎng)線，在1Mhz-100Mhz頻率下，為100歐阻抗，所以為了得到更好的信號傳輸特性，PCB板上的每對差分信號線也需要設(shè)計(jì)/生產(chǎn)為100歐阻抗。

例如，在ESMARC EVB V5.0中，每對網(wǎng)絡(luò)差分信號線的線寬為7mil，線距為8mil，在PCB加工生產(chǎn)說明文檔/郵件中，就提出阻抗要求：(線寬-線距-線寬)7mil-8mil-7mil，阻抗100歐。

一般情況下，PCB廠家會(huì)根據(jù)你的要求，重新調(diào)整銅皮，使信號線的阻抗在要求值的+/-10以內(nèi)，即可滿足要求。

為了保證高頻差分信號線上的信號相位差足夠小，需要盡可能保證每一對差分信號線長一致，或控制最大線差長度。對于網(wǎng)絡(luò)通訊信號線，將信號線最大長度差控制在+/-25mil以內(nèi)即可。

對于10Mbps/100Mbps網(wǎng)絡(luò)，它的TX、RX通訊線是相對獨(dú)立的，所以可以分別控制它TX、RX差分線長度。

對于1000Mbps網(wǎng)絡(luò)，它的4對差分信號需要同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，所以對于1000Mbps網(wǎng)絡(luò)接口的布線，不僅需要對每一對差分線的線長差進(jìn)行控制，同時(shí)也要控制這4對差分線之間的線長差。

每一對差分信號線的線距，要大于/等于每條信號線的線寬，以滿足電路板的EMI要求。如ESMARC EVB V5.0中，網(wǎng)絡(luò)信號線的線寬為7mil，差分線的線距為8mil。

以下，以ESMARC EVB V5.0評估底板為例，舉例說明。

圖 1

圖 2

圖1是CN8-1 1000Mbps網(wǎng)絡(luò)接口PCB走線，圖2是CN8-2 10Mbps/1000Mbps網(wǎng)絡(luò)接口PCB走線。從圖上可以明顯地知道，每一對差分信號線均嚴(yán)格按差分走線要求進(jìn)行PCB走線。

圖 3

圖3是1000Mbps網(wǎng)絡(luò)接口（CN8-1 ）走線長度參數(shù)值。該參數(shù)可以從EDA工具中查找到。

上圖中的NET1_TX是1000M_D0，NET1_RX是1000M_D1，再加上通過信號跳線電阻后的1000M_D2、1000M_D3，共同組成1000Mbps網(wǎng)絡(luò)接口的4對差分信號線。

在PCB設(shè)計(jì)走線時(shí)，1000M_D2、1000M_D3差分信號線與主板信號插針之間設(shè)計(jì)了跳線電阻，這之間還有約400mil的信號線長度，所以這4對差分信號線長度相差比較小，基本上能滿足1000Mbps環(huán)境下的通訊要求。

圖 4

圖4是10Mbps/100Mbps網(wǎng)絡(luò)接口（CN8-2）走線長度參數(shù)值。從參數(shù)上可以看到，對于100Mbps網(wǎng)絡(luò)接口，TX與RX這兩對差分信號線長度是獨(dú)立地、各自控制線長。

圖 5

在圖5中所表示的，是100M_NET2_RX這對差分信號線，它的兩條信號線（100M_TPRX2+、100M_TPRX2-）長度差約為20mil，滿足網(wǎng)絡(luò)通訊的差分走線設(shè)計(jì)要求。

除了按照差分要求走線、以及PCB線長控制以外，還需要注意，信號線從端口出線后，要盡可能早地讓兩條信號線進(jìn)行等長處理。如下圖所示：

圖6

圖7

圖6中，差分信號線的出線是對稱的，所以出線后，直接按照差分走線即可。在圖7中，由于差分信號線出線是不對稱的，所以出線后，要盡可能早地先進(jìn)行信號線等長處理，然后再按照正常差分信號線進(jìn)行走線。

03網(wǎng)絡(luò)端口的ESD保護(hù)

由于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的特殊性，網(wǎng)絡(luò)端口是很容易受外界信號的干擾，所以系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)信號必須通過1:1的網(wǎng)絡(luò)變壓器以后，才能再接入到RJ45插座上。

如英創(chuàng)公司使用的一體化10Mbps/100Mbps網(wǎng)絡(luò)接口HR871181A，1000Mbps網(wǎng)絡(luò)接口HR851178C，內(nèi)部均有1:1網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器與共模電感線圈（如圖8所示）。

這樣可以有效地阻止通訊線上的共模干擾信號，同時(shí)也可以防止直流干擾信號對系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)器的損壞。

圖8HR871181A內(nèi)部原理圖

另外，為了更進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)端口的ESD特性，可以配合設(shè)計(jì)專用的ESD保護(hù)器件，且在PCB設(shè)計(jì)時(shí)，ESD保護(hù)器件要盡可能靠近RJ45網(wǎng)絡(luò)端口的引腳焊盤。如下圖所示：

圖9

圖10

圖9所示，為網(wǎng)絡(luò)端口專用ESD保護(hù)器件在PCB板上，靠近RJ45網(wǎng)絡(luò)端口引線。圖10所示為ESMARC EVB電路中，針對網(wǎng)絡(luò)端口設(shè)計(jì)的ESD保護(hù)器件。

最后，對于有金屬外殼的RJ45網(wǎng)絡(luò)插座，建議將金屬外殼連接到設(shè)備安裝現(xiàn)場的可靠安全接地點(diǎn)上。

如果無法保證現(xiàn)場的安全接地的可靠性，建議將RJ45的金屬外殼通過一顆高壓電容（如：102M/1KV）與板子的地平面相連接，如ESMARC EVB的處理方式。