网口设计时布局布线要怎么处理?为什么变压器要掏空隔离?为什么网口中心抽头的电容要尽可能短?网口的组成和信号组成是什么?

本文主要是介绍网口设计时布局布线要怎么处理?为什么变压器要掏空隔离?为什么网口中心抽头的电容要尽可能短?网口的组成和信号组成是什么?,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

来自群友的疑难杂症(加杨老师V信:PCB206 可入群):网口设计时布局布线要怎么处理?为什么变压器要掏空隔离?为什么网口中心抽头的电容要尽可能短?网口的组成是什么?

杨老师(PCB206可零距离交流)分析:PCB设计中,掌握信号流和电源树是非常重要的,你要知道信号从哪里来,到哪里去;电源从哪里进从哪里出,给哪些器件用?

所以网口的设计也是一样,我们首先要知道网口的组成。

以太网大家应该都很熟悉:有网口,变压器,PHY芯片,主芯片等构成,当然还有一种找不到变压器的情况,那可能就是集成了。

第一种:

 

第二种:

 

当然还有第三种情况,就不介绍了,有的硬件或者EMC考虑到防护设计,会在网口电路中加入一级或者多级防护电路。这个一般是硬件或者EMC考虑的事,PCB设计者当然懂得也更好。如果增加了防护设计,按信号流向处理即可。

 

关于这个PHY和MAC还是杨医生觉得还是要解释下:

以太网接口可分为协议层和物理层。 协议层是由一个叫MAC(Media Access Layer,媒体访问层)控制器的单一模块实现。 物理层由两部分组成,即PHY(Physical Layer,物理层)和传输器。 例如我们常见的网卡芯片都是把MAC和PHY集成在一个芯片中,但目前很多主板的南桥芯片已包含了以太网MAC控制功能,只是未提供物理层接口,因此,需外接PHY芯片以提供以太网的接入通道。

 

 

接下来就是认识网口传输的信号。

网口我们现在常见的有百兆网口,千兆网口两种,细心的设计者会发现百兆网口是只有两对差分的,一对收,一对发;但是千兆网口往往有四对差分,两对收,两对发。这里的差分信号就是TX,RX。

 

从PHY到主芯片的信号我们也可以大致了解,PHY芯品通过不同的接口(SI/MII/GMII)配合不同的晶振(时钟)进行信号的传输。For example:

 

 

有了这些基础,那PCB上的布局布线就非常之easy了。先上图再分析

 

依照上面大致的布局图我们可以得出以下注意事项(整个布局思路从RJ45连接器到MAC,按顺序说明,大家布局时可参考):

1,首先看RJ45,一般都是定位器件, 靠近板边放置。这个是常规布局,根据结构要求来放置即可。

 

2,RJ45和变压器之间的距离尽可能的短,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;建议长度小于1000mil。

 

3,网口变压器的放置方向位置初次级需要完全隔离开来。

 

4,变压器初级端由电容电阻组成的电路是专用的bob smith电路,需要靠近放置。

bob smith电路作用:通过一个网络变压器+Bob Smith匹配,其作用网络变压器主要有信号传输、阻抗匹配、网络变压器主要有信号传输、阻抗匹配、波形修复、信号杂波抑制和高电压隔离等作用。而Bob Smith 电路的作用是为了改善端口EMC的差模,共模阻抗匹配的端接处理方式。这种电路能有效的滤除共模干扰,该电路可以降低10dB左右的EMI衰减。

 

5,变压器次级端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;

 

6,PHY芯片模块的方向最好正对着变压器,尽可能靠近的放置,以保持接口芯片固有的A/D隔离,另外路径的最短话可以做到平衡走线,减少干扰信号向板内耦合。

 

7,Phy芯片中的晶振远离接口、PCB边缘和其他的高频设备、走线或磁性元件周围。

 

接着我们来看看布线上的问题:

1,关于网口变压器两端的GND处理,常规是净空,即网口部分所有层挖空,变压器下方挖空。

 

业界还有一种情况:

变压器的两边做割地处理:即RJ45连接座和变压器的次级线圈用单独的隔离地,隔离区域100mil以上,且在这个隔离区域下没有电源和地层存在。

反正核心原理就是:做好隔离,避免耦合!毕竟外来的还是不干净的。

 

2,另外一个最优先处理的信号:差分信号。

其一,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;尽量保持差分对平行、等长、短距,避免过孔、交叉。

 

其二,初级的网口差分信号可适当加粗抗干扰,无需控制阻抗。但次级端需要需对Rx±、Tx±差分对进行阻抗控制,通常阻抗控制在100Ω±10%。

 

其三,做对内等长,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度不匹配,时序会发生偏移,还会引入共模干扰,降低信号质量。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;

 

其四,  附近不要有其他高速信号线,做好间距要求,提高抗干扰能力。

 

3,PHY芯片到MAC芯片的信号做组间等长处理,参考时钟,控制范围可在+-50mil。 具体哪些信号需要控等长,请参考之前疑难杂症。点击进入:

这组Bus到底要不要绕等长?

 

4,其他如电容放置fanout,晶振电路设计,灯信号处理等等,按常规要求处理好。

 

其他一些相关问题答疑:

1、中间抽头为什么有些接电源?有些接地?

这个主要是与使用的PHY芯片UTP口驱动类型决定的,这种驱动类型有两种,电压驱动和电流驱动。电压驱动的就要接电源;电流驱动的就直接接个电容到地即可!所以对于不同的芯片,中心抽头的接法,与PHY是有密切关系的,具体还要参看芯片的datasheet和参考设计了。为什么接电源时,又接不同的电压呢?这个也是所使用的PHY芯片资料里规定的UTP端口电平决定的。决定的什么电平,就得接相应的电压了。即如果是2.5v的就上拉到2.5v,如果是3.3v的就上拉到3.3v。

 

2,空间不足,变压器是否可以不接?接了为什么要掏空?

从理论上来说,是可以不需要接变压器,直接接到RJ45上,也许能正常工作的。但是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。至于掏空的原因是为了防止变压器转换的时候影响下面的电源和地。

 

好了,今天的疑难杂症就分析到这里,网口设计的你之前就没有问题,再加上这篇解析,相信可以说到:网口给我设计,我相信我可以再赢一次!

原创:杨老师   

 

这篇关于网口设计时布局布线要怎么处理?为什么变压器要掏空隔离?为什么网口中心抽头的电容要尽可能短?网口的组成和信号组成是什么?的文章就介绍到这儿,希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助!



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