以太網(wǎng)EMC接口硬件電路如何在PCB上實(shí)現(xiàn)資料下載

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(xiàn)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（Media Access Controlleroler）控制和物理層接口（Physical Layer，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以太網(wǎng)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(xiàn)，下面我們就以這個(gè)框圖詳解以太網(wǎng)有關(guān)的布局布線(xiàn)要點(diǎn)。 圖 1 以太網(wǎng)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布局、布線(xiàn)圖，下面就以圖 2介紹以太網(wǎng)電路的布局、布線(xiàn)需注意的要點(diǎn)。 圖 2變壓器沒(méi)有集成在網(wǎng)口連接器的電路PCB布局、布線(xiàn)參考 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(xiàn)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(mǎn)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(xiàn)、過(guò)孔、焊盤(pán)組成的環(huán)路面積盡量小，保證引線(xiàn)電感盡量??； 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(xiàn)最短，分布電感最小； 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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)線(xiàn)相鄰走線(xiàn)，盡量減小環(huán)路面積。指示燈和差分線(xiàn)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(xiàn)是以差分對(duì)（Rx±、Tx±）的形式存在，差分線(xiàn)具有很強(qiáng)共模抑制能力，抗干擾能力強(qiáng)，但是如果布線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)空間等因素存在使得差分線(xiàn)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(xiàn)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，此電阻有些接電源，有些通過(guò)電容接地，這是由PHY芯片決定的； d)差分線(xiàn)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(xiàn)時(shí)不能有stub ，這樣才能對(duì)高頻噪聲有良好的抑制能力。 3.變壓器集成在連接器的以太網(wǎng)電路的PCB布局、布線(xiàn)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布局、布線(xiàn)參考圖： 圖 3一體化連接器的網(wǎng)口PCB布局、布線(xiàn)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。 4.電路濾波設(shè)計(jì)： a) 在差分線(xiàn)上分別串接10R電阻，在分別對(duì)地添加5-10pF電容 b) 變壓器電源添加LC濾波，選擇600R/100Mhz磁珠和0.01-0.1uF電容 5.電路防雷設(shè)計(jì)： 為了達(dá)到IEC61000-4-5或GB17626.5標(biāo)準(zhǔn)，共模2KV，差摸1KV的防雷測(cè)試要求，成本最低的設(shè)計(jì)方案就是變壓器初級(jí)中心抽頭通過(guò)防雷器件接地，可以選擇成本較低的半導(dǎo)體放電管，但是要注意“防護(hù)器件標(biāo)稱(chēng)電壓要求大于等于6V；防護(hù)器件峰值電流要求大于等于50A；防護(hù)器件峰值功率要求大于等于300 W。注意選擇半導(dǎo)體放電管，要注意器件“斷態(tài)電壓、維持電流”均要大于電路工作電壓和工作電流。 根據(jù)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)于非屏蔽的平衡信號(hào)，不要求強(qiáng)制性進(jìn)行差模測(cè)試，所以對(duì)于差模1KV以?xún)?nèi)的防護(hù)要求，可以通過(guò)變壓器自身繞阻來(lái)防護(hù)能量沖擊，不需要增加差模防護(hù)器件。 1）由于TVS管響應(yīng)比壓敏電阻和氣體放電管快，不能將壓敏電阻or氣體放電管與TVS管直接并聯(lián)使用，而應(yīng)在其中間串聯(lián)uH級(jí)別的電感或?qū)Ь€(xiàn)（導(dǎo)線(xiàn)也有寄生電感）； 2）氣體放電管需要續(xù)流遮斷：即在其吸收瞬態(tài)發(fā)生短路后要能恢復(fù)到開(kāi)路狀態(tài)，即在一般使用中氣體放電管的直流擊穿電壓比其并聯(lián)的信號(hào)的工作電壓高的多，當(dāng)由于瞬態(tài)干擾氣體放電管起作用，發(fā)生短路后，短路狀態(tài)的維持需要一個(gè)電壓，若信號(hào)電壓會(huì)使氣體放電管一直維持在短路狀態(tài)，時(shí)間一長(zhǎng)，就會(huì)將此信號(hào)燒毀，所以要使得信號(hào)電壓低于維持氣體放電管短路狀態(tài)的電壓。 6. 輻射與ESD： a) 指示燈走線(xiàn)和電源上都加磁珠,磁珠靠近接口，然后限流電阻靠近PHY芯片，并添加電容濾波。 7. PCB布局布線(xiàn)原則： 7.1 變壓器未集成到RJ45接口的： 1）變壓器與RJ45之間，PHY層芯片與變壓器之間的距離應(yīng)控制在1inch 內(nèi)。當(dāng)布局條件限制時(shí)，應(yīng)優(yōu)先保證變壓器與RJ45之間的距離在1inch內(nèi)。 2）、器件布局按照信號(hào)流向放置，切勿繞來(lái)繞去。 3）、變壓器下方的地平面要分割，分割線(xiàn)寬度不小于100MIL，網(wǎng)口變壓 器放置在GND和PGND的分隔線(xiàn)上。 4）每對(duì)差分走線(xiàn)都要控制走線(xiàn)長(zhǎng)度一致， 同時(shí)注意控制阻抗為50歐姆。 5）注意PHY層芯片的的數(shù)字地和模擬地統(tǒng)一，數(shù)字電源和模擬電源使用 磁珠進(jìn)行隔離。同時(shí)要與變壓器配合。注意PHY芯片的電源濾波，按照芯片要求設(shè)計(jì)。 6）、網(wǎng)口指示燈的電源線(xiàn)3.3V或者2.5V來(lái)自于電源平面，要對(duì)它們使用 磁珠和電容進(jìn)行退耦；指示燈驅(qū)動(dòng)線(xiàn)要靠近PHY串連電阻，并在進(jìn)入I/O區(qū)域之前進(jìn)行電容濾波。這樣防止噪聲通過(guò)指示燈電源線(xiàn)耦合到差分線(xiàn)對(duì)區(qū)域。 7）、指示燈電源線(xiàn)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)線(xiàn)要靠近走線(xiàn)，盡量減小環(huán)路面積。