以太網(wǎng)接口與地平面設(shè)計(jì)3種方案

在信號(hào)完整性雜志上面看到這篇文章，作者：Zachariah Peterson 發(fā)表時(shí)間：2020年9月1日，個(gè)人覺得本篇文章內(nèi)容對(duì)從事PCB設(shè)計(jì)、EMC設(shè)計(jì)、信號(hào)完整性設(shè)計(jì)都具有一定的參考價(jià)值，經(jīng)翻譯后適當(dāng)配圖分享給大家。

如果您的職業(yè)生涯大部分時(shí)間都在從事 PCB 設(shè)計(jì)，并且您在計(jì)算機(jī)接口的布局和布線方面有經(jīng)驗(yàn)，那么您就知道一件事是正確的：在器件應(yīng)用說明中會(huì)有一些推薦的設(shè)計(jì)建議，并不是這些建議總是錯(cuò)誤的，而是這些建議很容易斷章取義。

一位同事向我提出的一項(xiàng)建議是，在離散磁鐵和連接器之間布線時(shí)，在RJ45連接器下方使用接地層。一些應(yīng)用說明建議將系統(tǒng)接地覆蓋RJ45連接器下方，一些應(yīng)用說明建議將接地平面拆分為系統(tǒng)和機(jī)箱部分，以提供更強(qiáng)的隔離。應(yīng)用說明中的一些建議指出，PHY、磁體和/或RJ45插孔下方應(yīng)完全省略接地層。

那么哪一個(gè)是正確的呢？與我一起工作的設(shè)計(jì)師以及我們最近開發(fā)的電路板始終包括一個(gè)系統(tǒng)平面，其機(jī)箱切口一直延伸到RJ45的邊緣，即使多個(gè)連接器并聯(lián)放置。當(dāng)我在論壇上瀏覽不同的建議時(shí)，其他專業(yè)設(shè)計(jì)師聲稱他們從來(lái)沒有遇到過移除共模扼流圈輸出端和RJ45之間的所有地平面區(qū)域的問題。讓我們更深入地研究一下，看看我們是否能夠理解這些差異產(chǎn)生的原因，以及何時(shí)適合在RJ45連接器下使用連續(xù)平面、拆分平面或無(wú)平面。

以太網(wǎng)布局和地平面的功能

為了進(jìn)一步了解以太網(wǎng)系統(tǒng)和連接器不同部分下面的接地層的概念，讓我們簡(jiǎn)要介紹一下以太網(wǎng)和RJ45連接器的布線要求。以太網(wǎng)系統(tǒng)由MAC/PHY接口（通常集成到單個(gè)IC中）、用于共模噪聲抑制和端接的磁性電路、用于端接的其他無(wú)源器件（通常為上拉或戴維南端接）和RJ45連接器組成。Rx和Tx線路在整個(gè)系統(tǒng)中并行布線。無(wú)源器件的數(shù)量、值和排列取決于確切的布線標(biāo)準(zhǔn)（例如，Base-T與以太網(wǎng)供電）和PHY接口。

MAC/PHY、磁性電路和RJ45連接器之間的記錄道作為具有定義阻抗的差分對(duì)布線。注意，這包括離散磁電路內(nèi)的布線。差分阻抗設(shè)置為100歐姆，以提供與電纜差分阻抗的匹配。通常首選較短的布線，尤其是在較高頻率（如千兆以太網(wǎng)和更高）下，以減少損耗。每個(gè)使用以太網(wǎng)的人都非常清楚這些要求。圍繞接地層（一個(gè)或多個(gè)接地層）的爭(zhēng)議始于放置離散磁鐵和與PHY和RJ45連接器相關(guān)的終端所需的任何其它器件。通常有三種可能性：

選項(xiàng)1：將系統(tǒng)接地至RJ45連接器，無(wú)論連接器中是否集成了磁性元件；

選項(xiàng)2：使用分割接地平面，其中機(jī)箱接地位于RJ45下方，系統(tǒng)接地延伸至共模扼流圈的輸入邊緣；

選項(xiàng)3：在磁性輸入和RJ45接頭之間不放置接地層。

這個(gè)問題的答案取決于以下幾點(diǎn)：在共模扼流圈附近，接地層中的隨機(jī)位移電流（噪聲）如何表現(xiàn)，磁鐵是否集成到連接器中，以及磁鐵和RJ45之間是否需要機(jī)箱接地以確保EMI保護(hù)和隔離。在我們了解這些選項(xiàng)中的哪一個(gè)客觀上最適合在PHY、磁性和RJ45連接器之間進(jìn)行路由之前，有助于回顧總體設(shè)計(jì)目標(biāo)：

設(shè)計(jì)目標(biāo)1：ESD/過壓保護(hù)。802.3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定以太網(wǎng)PHY必須與系統(tǒng)的其余部分隔離，以便在50至60 Hz的頻率下承受高達(dá)1500 V（RMS）的高壓交流60秒；

設(shè)計(jì)目標(biāo)2：噪音隔離。應(yīng)防止電纜上拾取的任何噪聲耦合回PHY和板的其余部分；

設(shè)計(jì)目標(biāo)3：共模噪聲分流器。任何接地區(qū)域中的共模噪聲都應(yīng)通過低阻抗路徑從磁性和PHY側(cè)轉(zhuǎn)移。

所有這些設(shè)計(jì)目標(biāo)都可以通過選項(xiàng)1-3以不同的方式實(shí)現(xiàn)。多個(gè)接地層的布置/耦合，或單個(gè)連續(xù)接地層的使用，將決定通過傳播噪聲電流看到的隔離、ESD保護(hù)和阻抗水平。為了更好地理解選項(xiàng)1-3，讓我們看看如何為帶有分立和集成磁性的RJ45連接器安排接地。

集成與離散磁體

下圖（圖 5）顯示了 100 Mbps 以太網(wǎng)的示例原理圖，在 PHY 附近采用典型的上拉電阻方案，用于端接，并在變壓器中心抽頭處為共模噪聲分流連接 [1]。此示意圖旨在顯示分立磁體的接地區(qū)域的放置，但它也適用于具有集成磁體的 RJ45 連接器。 PHY 的輸出和磁輸入之間的距離應(yīng)至少為 25 mm。此處的目的是在磁體和 PHY 之間提供足夠的隔離，盡管使這些線路過長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致更大的衰減，并且這種衰減在較高頻率時(shí)更大。在這兩種類型的連接器中，共模電容器也可以放置在末端抽頭上，作為磁輸入處系統(tǒng)接地的分流器，以提供更高的高頻噪聲抑制。

上圖顯示了一個(gè)屏蔽的 RJ45 連接器，其中屏蔽層與 Bob Smith 終端電阻旁邊的機(jī)箱接地連接。如果我們使用非屏蔽 RJ45，則連接器護(hù)罩沒有機(jī)箱接地連接。請(qǐng)注意，STP 電纜需要與屏蔽 RJ45 連接器一起使用，但 UTP 電纜可以與屏蔽或非屏蔽 RJ45 連接器一起使用。在非屏蔽電纜上使用屏蔽連接器在抑制電纜中接收到的 EMI 方面沒有任何好處，但在實(shí)際的以太網(wǎng)系統(tǒng)中也不會(huì)造成問題。

千兆以太網(wǎng)和更快的以太網(wǎng)將使用類似的方案，在磁性元件中有四個(gè)差分對(duì)和共模扼流圈。Bob Smith 終端幾乎總是用于磁性變壓器輸出側(cè)的中心抽頭。一些人認(rèn)為 Bob Smith 端接方案不是最佳選擇，使用不同的端接方案可以實(shí)現(xiàn)更低的回波損耗。

對(duì)于帶有集成磁性元件的 RJ45 連接器，系統(tǒng)接地層應(yīng)延伸到連接器的邊緣，以便為連接器的差分線路提供連續(xù)阻抗。系統(tǒng)平面也應(yīng)該運(yùn)行到離散磁體；在這兩種類型的連接器中，如果連接器被屏蔽，則連接器屏蔽層連接到機(jī)箱接地以進(jìn)行 ESD 保護(hù)并提供對(duì)高頻噪聲的屏蔽。這在設(shè)備可能存在于高壓源或無(wú)線電設(shè)備附近的工業(yè)環(huán)境中很有用。我看到的許多應(yīng)用手冊(cè)都指出，磁性元件下方的區(qū)域不應(yīng)填充接地層。這就留下了以太網(wǎng)路由中最后一個(gè)未解決的問題和爭(zhēng)論的根源：我們是否在磁輸出和 RJ45 之間擴(kuò)展了一個(gè)接地區(qū)域（系統(tǒng)和/或機(jī)箱）？

機(jī)箱和系統(tǒng)接地布局

選項(xiàng) 1

可視化選項(xiàng) 1 相當(dāng)簡(jiǎn)單：只需在整個(gè)第二層運(yùn)行系統(tǒng)接地層。系統(tǒng)接地將在磁性元件下方延伸并延伸至 RJ45 連接器。屏蔽連接器將緊靠機(jī)箱和外殼，因此其內(nèi)部屏蔽將參考回系統(tǒng)接地。

對(duì)選項(xiàng) 1 的反對(duì)意見是，系統(tǒng)接地層連接器區(qū)域中的噪聲電流可以通過耦合到磁性元件中將共模噪聲耦合回 PHY 側(cè)（設(shè)計(jì)目標(biāo) 2 和 3）。這里的另一個(gè)反對(duì)意見與設(shè)計(jì)目標(biāo) 1 相關(guān)：以太網(wǎng) PHY 應(yīng)該在 802.3 標(biāo)準(zhǔn)下與系統(tǒng)的其余部分電隔離，并且接地層為 ESD 脈沖到達(dá) PHY 和其他組件提供了低阻抗路徑. 提供返回機(jī)箱的低阻抗返回路徑，最終電源返回點(diǎn)仍可提供 ESD 保護(hù)和噪聲吸收器。

理想情況下，您希望噪聲電流沿著定向路徑返回地面，而不是通過隔離柵耦合。從接地平面耦合回磁性元件并進(jìn)入系統(tǒng)平面的 PHY 側(cè)的共模噪聲將以容性或感性方式進(jìn)行。理想情況下，磁性元件應(yīng)具有低漏電感和低漏電容/返回接地層的寄生電容。對(duì)于速度較低的以太網(wǎng)，漏電感將主導(dǎo)噪聲傳輸，因?yàn)檩d波頻率較低。相比之下，電容寄生將在更高的以太網(wǎng)速度下占主導(dǎo)地位，因?yàn)檩d波頻率更高。

為滿足選項(xiàng) 1 的所有三個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)，這需要將組合系統(tǒng)平面以非常低的阻抗連接到機(jī)箱。在我看來(lái)，這種方法最適用于集成屏蔽 RJ45 連接器，因?yàn)?ESD 脈沖或噪聲可以立即分流回機(jī)箱。但是，不需要直接連接到屏蔽 RJ45；只要機(jī)箱有低阻抗連接，人們就會(huì)期望非屏蔽 RJ45 連接器能夠正常工作。

請(qǐng)注意，如果沒有正確規(guī)劃返回路徑，則連續(xù)接地層可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)字和模擬部分之間出現(xiàn)干擾形式的 EMI 問題。此外，將平面上的多個(gè)點(diǎn)連接回機(jī)箱可以使電流形成通過機(jī)箱的環(huán)路，當(dāng)系統(tǒng)平面和機(jī)箱之間存在很強(qiáng)的接地反彈電位時(shí)，會(huì)產(chǎn)生潛在的大型輻射器 。

選項(xiàng) 2

接下來(lái)，讓我們看看選項(xiàng) 2。指定運(yùn)行接地到 RJ45 連接器的應(yīng)用手冊(cè)指出，PCB 中應(yīng)使用機(jī)箱接地區(qū)域。這在上面的示意圖（圖 5）中顯示在磁性元件的輸出側(cè)，其中電阻器部分（R7-R9 = 75 歐姆）也通過 Bob Smith 終端連接回機(jī)箱接地部分。但是，選項(xiàng) 2 下的布局建議指定在物理上分離機(jī)箱和系統(tǒng)平面。對(duì)于分立磁性元件，無(wú)源元件需要放置在 PCB 上的某個(gè)位置并連接回地，因此在表面層下方必須有一個(gè)接地區(qū)域，或者至少在表面層上有一些接地，以提供與機(jī)箱的連接地面。如圖 7 所示。

在這里，您有兩個(gè)獨(dú)立的接地部分：系統(tǒng)接地和 PCB 中連接到機(jī)箱接地的平面區(qū)域。您如何確保它們保持相同的潛力？機(jī)箱接地區(qū)域應(yīng)連接到其他接地，以消除這些區(qū)域之間的電位差。這可以通過低阻抗路徑完成；將系統(tǒng)平面機(jī)械固定到機(jī)箱或在機(jī)箱和系統(tǒng)接地區(qū)域之間使用 0 歐姆電阻器這樣簡(jiǎn)單的操作就足夠了。放置高壓電容器是橋接兩個(gè)平面同時(shí)將高頻噪聲從磁體中引導(dǎo)出來(lái)的另一種策略。這樣做的問題是，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，您可能會(huì)在兩個(gè)部分之間產(chǎn)生較大的環(huán)路電感返回路徑。

圖 7 的一個(gè)變體是簡(jiǎn)單地使用一個(gè)連續(xù)接地層，并為共模扼流圈切出一個(gè)大孔。不要這樣做：您已經(jīng)創(chuàng)建了一個(gè)大的導(dǎo)體環(huán)，它可以接收 EMI 并在系統(tǒng)的關(guān)鍵區(qū)域（即共模扼流圈之后）引發(fā)共模噪聲。您基本上已將總共模抑制比 (CMRR) 減半。

圖 8顯示了選項(xiàng) 2 的另一個(gè)變體。這包括在系統(tǒng)接地層中放置一個(gè)接地切口，該接地層一直延伸到電路板邊緣，然后在 RJ45 連接器下方放置一個(gè)機(jī)箱層。Bob Smith 終端網(wǎng)絡(luò)然后被放置在一邊并連接回系統(tǒng)平面?？梢允褂?0 歐姆電阻或內(nèi)部過孔將兩個(gè)平面部分設(shè)置為相同的直流電勢(shì)。然后可以將 RJ45 連接器護(hù)罩直接參考回機(jī)箱接地層。

然后將機(jī)箱通過低阻抗路徑連接回系統(tǒng)接地。應(yīng)用說明指出應(yīng)使用 0 歐姆電阻，而其他人建議使用電容器。從 ESD 的角度來(lái)看，最好的連接方式是將它們以機(jī)械方式連接回機(jī)箱。同樣，如果沒有仔細(xì)規(guī)劃返回路徑，我們?cè)诖判栽浇嬖诮拥仉娏鞑⒃?PHY 附近感應(yīng)噪聲的可能性相同。

選項(xiàng) 3

最后，讓我們看看選項(xiàng) 3。對(duì)于集成磁性元件，系統(tǒng)接地將延伸到連接器的邊緣（參見圖 6，右面板），因此選項(xiàng) 3 僅適用于具有離散磁性元件的布局。在這種情況下，分立磁輸入和連接器輸入之間沒有接地層；您有阻抗受控但沒有接地層屏蔽的差分對(duì)。

您仍然需要在整個(gè)系統(tǒng)中提供統(tǒng)一的參考電位。典型的建議是使用高壓電容器橋接這兩個(gè)區(qū)域，如選項(xiàng) 2 中所示。您唯一的其他選擇是在機(jī)箱和系統(tǒng)接地之間使用長(zhǎng)路徑直接連接，類似于圖 7所述.我在移除磁性元件和 RJ45 連接器之間的接地層時(shí)遇到的一個(gè)問題是差分對(duì)之間的差分串?dāng)_的可能性。這對(duì)于千兆以太網(wǎng)（它使用四個(gè)差分對(duì)）和速度更快來(lái)說更令人擔(dān)憂，并且它會(huì)在附近的信號(hào)線中產(chǎn)生噪聲，特別是在具有多個(gè)以太網(wǎng)連接器的電路板中。

此外，這部分電路下方?jīng)]有任何接地可能會(huì)產(chǎn)生與圖 7 相同的返回路徑問題；存在為噪聲創(chuàng)建大環(huán)路電感返回路徑的風(fēng)險(xiǎn)。盡管我對(duì)選項(xiàng) 3 有意見，但它的使用是有目的的，而且它可以按設(shè)計(jì)工作并通過 EMC 測(cè)試。對(duì)于屏蔽 RJ45，與其將 ESD 電流轉(zhuǎn)入電路板上的機(jī)箱接地層，不如將 ESD 電流直接轉(zhuǎn)入機(jī)箱本身。機(jī)箱和系統(tǒng)接地層之間的大物理隔離可以提供更高的隔離度，目標(biāo)是超過 802.3 標(biāo)準(zhǔn)中的 1500 V 要求。如果布局正確，只要有低阻抗路徑返回電源回路，接地區(qū)域連接器側(cè)的噪聲電流就可以從磁性元件和 PHY 轉(zhuǎn)移出去。在接收高頻噪聲和 ESD 方面，在選項(xiàng) 3 中使用屏蔽導(dǎo)體是更好的選擇，因?yàn)樗梢酝ㄟ^低阻抗連接直接集成到機(jī)箱中。

其他不良接地建議

您將看到的另一個(gè)常見系統(tǒng)接地建議是將接地平面物理拆分為 PHY 輸出處的數(shù)字和模擬區(qū)域。確保這兩個(gè)平面之間接地電位一致的典型方法是將模擬平面和數(shù)字平面與旁路電容器連接起來(lái)。我經(jīng)常在其他情況下看到這個(gè)建議，我覺得這個(gè)建議沒有必要。在分離的數(shù)字和模擬平面之間使用旁路電容器旨在提供不同部分之間的返回路徑，但這可能會(huì)產(chǎn)生額外的 EMI 問題。特別是，提供通過旁路電容器的返回路徑會(huì)為模擬模塊中的電路產(chǎn)生較大的環(huán)路電感，這會(huì)增加對(duì)外部 EMI 和內(nèi)部串?dāng)_的敏感性。如果您正確規(guī)劃了返回路徑，則無(wú)需使用分離平面或旁路電容器。

最后的想法

總而言之，RJ45 連接器布局的重點(diǎn)圍繞著正確接地、低環(huán)路電感、足夠的 EMI 屏蔽、ESD 隔離和電路板中的返回路徑規(guī)劃。從環(huán)路電感和 EMI 屏蔽的角度來(lái)看，選項(xiàng) 1 和 2 是最好的，盡管它們需要仔細(xì)的布局規(guī)劃。從 ESD 角度來(lái)看，選項(xiàng) 3 可以說是最好的，只要接地布置設(shè)計(jì)正確，盡管存在在系統(tǒng)中為共模噪聲創(chuàng)建大環(huán)路電感路徑的危險(xiǎn)。如果在上述任何選項(xiàng)中使用屏蔽 RJ45，重要的一點(diǎn)是確保連接器屏蔽與機(jī)箱的連接阻抗非常低，然后需要一個(gè)低阻抗路徑到系統(tǒng)接地。還要確保機(jī)箱和輸出變壓器中心抽頭之間的路徑具有足夠低的阻抗，以穩(wěn)定直流偏移并將機(jī)箱、RJ45 連接器屏蔽層和系統(tǒng)接地之間的任何電壓差降至最低。對(duì)于非屏蔽 RJ45，這是一個(gè)有爭(zhēng)議的問題；只需關(guān)注機(jī)箱和系統(tǒng)之間的低阻抗連接，即可提供 ESD 保護(hù)、噪聲隔離和遠(yuǎn)離磁性元件和 PHY 的低阻抗路徑。

如果布局得當(dāng)，即如果存在足夠低的阻抗路徑以將噪聲和 ESD 從磁性元件/PHY 轉(zhuǎn)移開，則選項(xiàng) 1 可以很好地工作。

眾所周知，只要沒有接收 EMI 的大環(huán)路電感路徑，選項(xiàng) 3 就可以很好地用于隔離和 EMC。這可能需要差分對(duì)之間的間距更小，以降低噪聲敏感性，同時(shí)保持 100 歐姆差分阻抗。

選項(xiàng) 2 是選項(xiàng) 1 和 3 的混合體，具體取決于去除了多少地面；您必須通過低阻抗路徑來(lái)平衡接地層間隙與接地連接。

與我合作的設(shè)計(jì)人員選擇使用圖 8 中的分割方法連接到 RJ45 連接器的接地層（分立磁性元件的選項(xiàng) 2），或者僅將系統(tǒng)接地連接到 RJ45（無(wú)論磁性元件放置如何）。兩者都可以設(shè)計(jì)為確保機(jī)箱和系統(tǒng)接地之間的低環(huán)路電感路徑，并在共模扼流圈之后提供與該區(qū)域中其他電路塊的一些隔離?；旌闲盘?hào)系統(tǒng)中的隔離可以通過表面層上的接地填充來(lái)增加，然后將其連接回系統(tǒng)接地。在布局和布線期間需要仔細(xì)規(guī)劃返回路徑，以使其正常工作，但如果您已正確完成所有操作，則在共模扼流圈之后可以從其他電路塊接收到更少的共模噪聲。

來(lái)源：微信公眾號(hào)《PCB設(shè)計(jì)指南》