如何设计出稳定的以太网?留意这几个设计要点!

发表时间:2022-04-08 14:17作者:武汉万象奥科

以太网是大部分嵌入式产品必备的通信接口,如何设计出稳定、可靠的以太网电路呢?本文综合数名行业硬件工程师经验总结以下要点,希望能为读者提供设计思路及解决问题的方法。


1. 原理图设计


首先是网络变压器和RJ45接口器件的选型,集成网络变压器的RJ45接口器件可以降低设计复杂度、节省板面积,目前应用越来越广泛。若应用环境对网络电气特性或可靠性要求特别高时,建议优先选择分体方案。原理图设计的要点包括以下几个方面:

  • 防雷管应尽量靠近RJ45接口,放置于RJ45与网络变压器之间,可以更好起到防雷作用;

  • 单独的TVS管一般不能完成防雷工作,其一般放置在防雷管与网络变压器之间,主要是抑制差模干扰;

  • 根据经验,在防雷管与TVS之间放置2欧姆电阻可进一步抑制干扰;TVS与PHY之间的网络变压器进一步抑制共模信号干扰。

  • 网络变压器与PHY之间差分信号需放置一颗终端电阻(49.9Ω),其作用是阻抗匹配,消除通讯电缆中的信号反射。

  • RJ45与网络变压器次级之间收发差分线连接,须是变压器的发射端连接RJ45的接收端,变压器的接收端连接RJ45的发射端,如下图:

RJ45与网络变压器次级之间收发差分线连接图

  • 网络变压器初级和次级需要隔离,不能共一个地。隔离可以有效防止控制源端的干扰通过参考平面耦合到次级,也为后续PCB设计提供不同参考平面。

网络变压器初级和次级需要隔离设计


2. PCB设计


以太网属于高速信号,其稳定性与PCB设计密切相关,以下为PCB设计中的几个要点。

网络变压器到RJ45部分典型设计参考


  • 器件布局的原则是按照信号流向放置,应尽量缩短防雷管与RJ45之间的距离;

  • 网络变压器与RJ45之间走线应尽量短,高速差分线严格按照等长处理,误差通常控制在5mil,阻抗控制在100Ω±10%;

  • 次级参考平面与初级参考平面隔离,隔离带宽度80-100mil,隔离带内应保证没有电源和地层存在;

  • 次级参考平面铺设仅限于网络变压器与防雷管之间,防雷管与RJ45之间的信号线不需要铺参考平面,防止干扰通过参考平面耦合至次级;

  • 网络变压器与PHY芯片之间的高速信号走线尽量短,最大长度480mil,差分信号终端电阻(49.9Ω)须靠近PHY芯片的TX±、RX±管脚放置,消除通信电缆中的信号反射。电阻接电源还是通过电容接地,一般由PHY芯片决定,PHY到网络变压器部分PCB设计如下图所示:

PHY到网络变压器部分PCB典型设计参考

稳定可靠的硬件开发需要理论与实践相结合,注意设计要点才能避免“踩坑”。Vanxoak专注于嵌入式软硬件产品的研发、定制、设计、生产,产品已在物联网、工业控制、轨道交通、医疗电子、电力电子、新能源、石油化工、重工机械、环保等领域有广泛应用。

万象奥科HD6Q-IOT网口设计


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