以太網(wǎng)EMC接口電路設(shè)計(jì)及PCB設(shè)計(jì)

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（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，下面我們就以這個(gè)框圖詳解以太網(wǎng)有關(guān)的布局布線要點(diǎn)。

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)。

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、走線或磁性元件周圍，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、焊盤組成的環(huán)路面積盡量小，保證引線電感盡量??；

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；

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)度差通常控制在5mil以內(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)差分線對(duì)上的濾波電容必須對(duì)稱放置，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。

3.變壓器集成在連接器的以太網(wǎng)電路的PCB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。

4.電路濾波設(shè)計(jì)：

a) 在差分線上分別串接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以內(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€（導(dǎo)線也有寄生電感）；

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，分割線寬度不小于100MIL，網(wǎng)口變壓

器放置在GND和PGND的分隔線上。

4）每對(duì)差分走線都要控制走線長(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3.3V或者2.5V來(lái)自于電源平面，要對(duì)它們使用

7）、指示燈電源線和驅(qū)動(dòng)信號(hào)線要靠近走線，盡量減小環(huán)路面積。

8）、指示燈線和差分線對(duì)要進(jìn)行必要的隔離，兩者要保證距離足夠遠(yuǎn)，如果必要使用GND平面進(jìn)行隔離。

9）、注意網(wǎng)口變壓器芯片側(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，分布電感最小。

10）、用于連接GND和PGND的0歐姆電阻或者電容要放置在地分割線上。

11）、PHY芯片的模擬電源不要占用大面積平面，從局部銅皮通過(guò)走線、

磁珠、走線拉到變壓器芯片側(cè)中心抽頭上。

12）、PHY芯片與變壓器之間已經(jīng)沒(méi)有VDD，將PHY芯片與變壓器之間的平

面層區(qū)域定義為GND，這樣可以切斷來(lái)自VDD平面的噪聲途徑。

13）、沿 單 板 PCB的 邊 緣（不用包住PGND，見圖8）每隔250mil打一個(gè)接地

過(guò)孔，這些過(guò)孔排可以切斷單板噪聲向外輻射的途徑，減小對(duì)PGND靜地的影響。

14）、單 板 的 PGND、GND通過(guò) 鏍 孔 和 結(jié) 構(gòu) 相 連 接，保 證 系 統(tǒng) 地 電 位 的 統(tǒng) 一。

15）、保證電源平面和地平面之間的良好退耦（低 阻），電源平面最好和地平面相鄰。

16）、和電源平面相鄰的信號(hào)線不要超出電源平面的投影區(qū)域。

17）要保證和電源平面相鄰的信號(hào)線的回流路徑的完整性，

否則就要改變平面的形狀，使得信號(hào)線處在平面層內(nèi)，回流路徑的不完整會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的EMC問(wèn)題。

18）、推薦把所有的高速信號(hào) 線 、I /O 線 、差分線對(duì)優(yōu)先靠近地平 面走線 ，如果無(wú)法實(shí)現(xiàn)才以電源平面作為參考平面。

19）、差分線要遠(yuǎn)離其它信號(hào)線，放置其它信號(hào)線把噪聲耦合到差分線上。

20）、為了減小差分信號(hào)的噪聲，數(shù)字信號(hào)線或電源要遠(yuǎn)離模擬信號(hào)線或電源。

21）、電源的去耦和旁路是十分重要的，它們可以為信號(hào)提供一個(gè)低阻抗通路，減小電源和地平面間的諧振。電容可以起到去耦和旁路的作用，但要保證退 耦 和 旁 路 電 容 由 電 容 、 走 線 、 過(guò) 孔 、 焊 盤 組 成 的 環(huán) 路 的 面 積 盡 量 小 ， 保 證 引 線 電感盡量小，見下圖所示

7.2、采用一體化連接器的網(wǎng)口電路PCB布局、布線規(guī)則

下面只針對(duì)不同點(diǎn)進(jìn)行描述。

1)網(wǎng)口變壓器是隔離器件，用于切斷共模，因?yàn)橐呀?jīng)被集成在連接器里，所以地平面不再進(jìn)行分割處理。

2)一體化連接器的外殼應(yīng)該連接到連續(xù)的地平面上。不要在連接器下面創(chuàng)建機(jī)架地。

3)單板周圍每隔250mil打接地過(guò)孔，將單板噪聲屏蔽在板內(nèi)。

很重要的一點(diǎn)（借鑒與電腦主板設(shè)計(jì)）：對(duì)于裸露在機(jī)箱外的接地設(shè)備的金屬外殼需要打接觸放電（如232 USB 以太網(wǎng)接口等），他們的信號(hào)線的防護(hù)措施如GDT 壓敏 TVS等要接到金屬外殼即大地，泄放到大地（接地設(shè)備的金屬外殼一般接大地）。

本文轉(zhuǎn)載自：https://blog.csdn.net/tianxuechao/article/details/51436000?ops_request_misc=%257B%2522request%255Fid%2522%253A%2522163046222716780366535579%2522%252C%2522scm%2522%253A%252220140713.130102334.pc%255Fall.%2522%257D&request_id=163046222716780366535579&biz_id=0&utm_medium=distribute.pc_search_result.none-task-blog-2~all~first_rank_v2~rank_v29-30-51436000.pc_search_insert_download&utm_term=pcb設(shè)計(jì)&spm=1018.2226.3001.4187