ePort-M PCB設(shè)計(jì)技巧與案例分享

為了讓ePort-M模塊的PCB設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單，提高硬件直通率，本文將介紹ePort-M的PCB設(shè)計(jì)技巧，并通過實(shí)際案例說明PCB布局布線對(duì)ePort-M的影響。

?產(chǎn)品簡(jiǎn)介

在傳統(tǒng)方式的網(wǎng)絡(luò)通訊電路設(shè)計(jì)中，MCU的MAC控制器應(yīng)先通過RMII信號(hào)線連接至PHY芯片，再經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)變壓器連接至RJ45座子，設(shè)計(jì)過程復(fù)雜，對(duì)設(shè)計(jì)人員要求較高，且遇到問題需要改動(dòng)時(shí)，非常不便。

ePort-M百兆以太網(wǎng)模塊采用RMII接口，內(nèi)部集成了PHY芯片與網(wǎng)絡(luò)變壓器，用戶使用時(shí)僅需完成MCU的MAC控制器和ePort-M模塊管腳之間的走線即可，使得網(wǎng)絡(luò)通訊電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單化，縮短了開發(fā)時(shí)間，降低了設(shè)計(jì)人員要求。圖1 網(wǎng)絡(luò)通訊電路設(shè)計(jì)示意圖

?PCB設(shè)計(jì)技巧

在使用ePort-M進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)時(shí)，建議遵循以下幾點(diǎn)設(shè)計(jì)規(guī)則：

RMII信號(hào)線布線時(shí)需控制單端50歐阻抗匹配，避免阻抗不連續(xù)造成信號(hào)反射，影響通訊質(zhì)量；

RMII中TX組與REF_CLK的串聯(lián)匹配電阻（如圖2中的R5~R8）布局時(shí)應(yīng)靠近信號(hào)發(fā)射端即MCU端放置；

RMII走線間距建議至少保持2W，若受限PCB空間，應(yīng)優(yōu)先確保REF_CLK的間距要求；

RMII信號(hào)線以REF CLK時(shí)鐘線為基準(zhǔn)進(jìn)行等長(zhǎng)布線，建議控制在200mil左右；

RMII信號(hào)線及MDC/MDIO應(yīng)遠(yuǎn)離板上其它干擾源布線，如遠(yuǎn)離開關(guān)電源等；

RMII信號(hào)回流平面應(yīng)完整；

當(dāng)使用一路MDIO接口同時(shí)管理多路ePort-M時(shí)，MDIO走線推薦按圖3所示方式布線。

圖2 ePort-M典型應(yīng)用電路

圖3 MDC/MDIO推薦布線

?案例分享當(dāng)PCB設(shè)計(jì)未能遵循上述設(shè)計(jì)規(guī)則時(shí)，可能會(huì)造成ePort-M模塊通訊異常，輕則速率達(dá)不到要求，重則無法ping通。下面以實(shí)際案例說明。某塊搭載雙路ePort-M模塊的工控底板在實(shí)際使用過程中，其網(wǎng)口無法正常通訊，出現(xiàn)頻繁Link Up與Down的情況，長(zhǎng)ping測(cè)試結(jié)果如圖4所示。工控底板PCB布局布線如圖5所示。

圖4 工控底板網(wǎng)口長(zhǎng)ping測(cè)試結(jié)果

圖5 雙路ePort-M工控底板PCB圖經(jīng)分析，該底板PCB設(shè)計(jì)有以下幾點(diǎn)問題：

RMII中TX組信號(hào)線的串接電阻布局于ePort-M端，正常應(yīng)布局在核心板/MCU端（案例中REF_CLK串接電阻已集成在核心板上）；

同組RMII信號(hào)線布線間距過近，可能會(huì)造成線間干擾；

不同組RMII信號(hào)線相鄰層平行布線，可能會(huì)造成層間干擾；

RMII信號(hào)線未控制阻抗，會(huì)造成信號(hào)反射；

RMII、MDC/MDIO信號(hào)線布線與5V_DC-DC開關(guān)電源電路相鄰，導(dǎo)致RMII、MDC/MDIO受到干擾。

據(jù)此，我們采集了工控底板RMII各信號(hào)與MDC/MDIO的波形，發(fā)現(xiàn)MDIO信號(hào)波形有明顯異常，其波形如圖6所示。

圖6工控底板的MDIO波形

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)工控底板的MDIO脈沖頻率與DC-DC電源電路的開關(guān)頻率相近，測(cè)得其兩者波形如圖7所示，可見兩者具有強(qiáng)相關(guān)性。

圖7DC-DC輸出信號(hào)與MDIO信號(hào)波形

對(duì)此情況，我們將DC-DC開關(guān)電源電路斷開，直接由外部電源供電，經(jīng)測(cè)試，兩路網(wǎng)均口能夠正常通訊，且通訊速率符合要求，通訊速率測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

圖8 外部供電時(shí)網(wǎng)口通訊速率測(cè)試結(jié)果

通過上述案例可見，PCB布局布線對(duì)ePort-M模塊的通訊質(zhì)量具有較大影響，工程師在進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)滿足上文所述的設(shè)計(jì)規(guī)則。