以太网PCB布局布线

chen288018 · 发表于 2016-1-28 13:48

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我们现今使用的网络接口均为以太网接口，目前大部分处理器都支持以太网接口。目前以太网按照速率主要包括10M、10/100M和1000M三种接口，10M应用已经很少，基本为10/100M所代替。目前以太网接口类型主要采用双绞线的RJ45接口，且基本应用于工控领域，因工控领域的特殊性，所以我们对以太网的器件选型已经PCB设计相当考究。从硬件的角度看，以太网接口电路主要由MAC控制和物理层接口两大部分构成。大部分处理器内部包含了以太网MAC控制，但并不提供物理接口，故需外接一片物理芯片以提供以太网的接入通道。面对如此复杂的接口电路，相信各位硬件工程师都想知道该硬件电路如何在PCB上实现。
下图1以太网的典型应用。我们的PCB设计基本是按照这个框图来布局布线，下面我们就以这个框图详解以太网有关的布局布线要点。

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图1以太网的典型应用
1、图2网口变压器没有集成在网口连接器里的参考电路PCB布局、布线图，下面就以图2介绍以太网电路的布局、布线需要注意的要点。

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图2网口变压器没有集成在网口连接器里的参考电路PCB布局、布线图
1.1、RJ45和变压器之间的距离尽可能的短，晶振远离接口、PCB边缘和其他的高频设备、走线或磁性元件周围、PHY层芯片和变压器之间的距离尽可能短，但是有时为了顾全整体布局，这一点可能比较难满足，但他们之间的距离最大约10-12cm，器件布局的原则是通常按照信号流向放置，切不可绕来绕去。
1.2、PHY层芯片的电源滤波按照芯片要求设计，通常每个电源端都需放置一个退耦电容，他们可以为信号提供一个低阻抗通路，减少电源和地平面间的谐振，为了让电容起到去耦和旁路的作用，故要保证退耦和旁路电容由电容、走线、过孔、焊盘组成的环路面积尽量小，保证引线电感尽量小。
1.3、网口变压器PHY层芯片侧中心抽头对地的滤波电容要尽量靠近变压器管脚，保证引线最短，分布电感最小。
1.4、网口变压器接口侧的共模电阻和高压电容靠近中心抽头放置，走线短而粗（>=15mil）。
1.5、变压器的两边需要割地：即RJ45连线座和变压器的次级线圈用单独的隔离地，控制区域100mil以上，且在这个隔离区域下没有电源和地层存在。这里做分割处理，就是为了达到初级、次级的隔离，控制源端的干扰通过参考平面耦合到次级。
1.6、指示灯的电源线和驱动信号线相邻走线，尽量减少环路面积。指示灯和差分线要进行必要的隔离，两者要保证足够的距离，如有空间要用GND隔开。
1.7、用于连接GND和PGND的电阻及电容需要放置地分割区域。

2、以太网的信号线是以差分对（Rx±、Tx±）的形式存在，差分线具有很强共模抑制能力，抗干扰能力强，但是如果布线不当，将会带来严重的信号完整性问题。下面我们来一一介绍差分线处理要点：
2.1、优先绘制Rx±、Tx±差分线，尽量保持差分对平行、等长、短距、避免过孔、交叉。由于管脚分布、过孔、以及走线空间等因素存在使得差分线长易不匹配，时序会发生偏移，还会引入共模干扰，降低信号质量。所以，相应的要对差分对不匹配的情况作出补偿，使其线长匹配，长度差通常控制在5mil以内，补偿原则是哪里出现长度差补偿哪里。
2.2、当速度要求高时需对Rx±、Tx±差分对进行阻抗控制，通常阻抗控制在100Ω±10%。
2.3、差分信号终端电阻（49.9Ω，有的PHY层芯片可能没有）必须靠近PHY层芯片的Rx±、Tx±管脚放置，这样能更好的消除通信电缆中的信号反射。

2.3、差分线对上的滤波电容必须对称放置，否则差模可能转化成共模，带来共模噪声，且其走线时不能有stub，这样才能对高频噪声有良好的抑制能力。

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3、变压器集成在连接器的以太网电路的PCB布局、布线较不集成的相对简单很多，下图3是采用一体化连接器的网口电路的PCB布局、布线参考图：

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图3 采用一体化连接器的网口电路的PCB布局、布线参考图

从上图可以看出、图3和图1的不同之处在于少了网口变压器，其他大体相同。不同之处主要体现在网口变压器已经集成至连接器里，所以地平面无需进行分割处理，但是我们依然需要将一体化连机器的外壳连接到连续的地平面上。

如果还有不懂的可以咨询本人，QQ：49779475

chen288018 · 发表于 2016-1-28 13:53

网口变压器到底是什么作用呢？从理论上来说，是可以不需要接变压器，直接接到RJ45上，也是能正常工作的。但是呢，传输距离就很受限制，而且当接到不同电平网口时，也会有影响。而且外部对芯片的干扰也很大。当接了网络变压器后，它主要用于信号电平耦合。其一，可以增强信号，使其传输距离更远；其二，使芯片端与外部隔离，抗干扰能力大大增强，而且对芯片增加了很大的保护作用（如雷击）；其三，当接到不同电平（如有的PHY芯片是2.5V，有的PHY芯片是3.3V）的网口时，不会对彼此设备造成影响。