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網絡接口(RJ45)布線設計簡要說明

 2017/3/22    

  在嵌入式工控系統中,常用的是10Mbps/100Mbps網絡接口。但是由于CPU快速的發展,1000Mbps網絡也開始在嵌入式系統中使用。它們的通訊頻率都是100BASE-TX標準:125MHz。英創公司的ESM6802嵌入式主板,可以提供1000Mbps網絡接口,符合1000BASE-T(IEEE802.3ab)標準。


  對于10Mbps/100Mbps兼容網絡,有2對差分信號線,TX(TX+、TX-)和RX(RX+、RX-),信號TX與RX是相互獨立的信號線。


  對于英創公司提供的1000Mbps網絡,可以向下兼容10Mbps/100Mbps網絡,使用4對差分信號線,數據傳輸時,會使用全部4對差分信號線。所以對于PCB走線,要求更高。


  然而不少的客戶在對以太網端口進行布線設計時,并沒有按照以太網信號的差分、阻抗要求進行設計,或者沒有考慮網絡端口的ESD相關問題,最終導致一部份設備會出現無法預期的異常,或出現損壞率很高的情況。


  這篇文章會基于英創公司的嵌入式工控主板接口,簡單描述網絡接口設計時需要注意的地方,以提高產品的穩定與可靠性。


1、網絡信號走線要求


  同于網絡通訊常用的UTP CAT5e網線,在1Mhz-100Mhz頻率下,為100歐阻抗,所以為了得到更好的信號傳輸特性,PCB板上的每對差分信號線也需要設計/生產為100歐阻抗。例如,在ESMARC EVB V5.0中,每對網絡差分信號線的線寬為7mil,線距為8mil,在PCB加工生產說明文檔/郵件中,就提出阻抗要求:(線寬-線距-線寬)7mil-8mil-7mil,阻抗100歐。一般情況下,PCB廠家會根據你的要求,重新調整銅皮,使信號線的阻抗在要求值的+/-10以內,即可滿足要求。


  為了保證高頻差分信號線上的信號相位差足夠小,需要盡可能保證每一對差分信號線長一致,或控制最大線差長度。對于網絡通訊信號線,將信號線最大長度差控制在+/-25mil以內即可。對于10Mbps/100Mbps網絡,它的TX、RX通訊線是相對獨立的,所以可以分別控制它TX、RX差分線長度。對于1000Mbps網絡,它的4對差分信號需要同時進行數據傳輸,所以對于1000Mbps網絡接口的布線,不僅需要對每一對差分線的線長差進行控制,同時也要控制這4對差分線之間的線長差。每一對差分信號線的線距,要大于/等于每條信號線的線寬,以滿足電路板的EMI要求。如ESMARC EVB V5.0中,網絡信號線的線寬為7mil,差分線的線距為8mil。


  以下,以ESMARC EVB V5.0評估底板為例,舉例說明。


 網絡接口布線設計簡要說明.gif 網絡接口布線設計簡要說明.gif 
 圖1 圖2 


  圖1是CN8-1 1000Mbps網絡接口PCB走線,圖2是CN8-2 10Mbps/1000Mbps網絡接口PCB走線。從圖上可以明顯地知道,每一對差分信號線均嚴格按差分走線要求進行PCB走線。


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圖3


  圖3是1000Mbps網絡接口(CN8-1 )走線長度參數值。該參數可以從EDA工具中查找到。上圖中的NET1_TX是1000M_D0,NET1_RX是1000M_D1,再加上通過信號跳線電阻后的1000M_D2、1000M_D3,共同組成1000Mbps網絡接口的4對差分信號線。


  在PCB設計走線時,1000M_D2、1000M_D3差分信號線與主板信號插針之間設計了跳線電阻,這之間還有約400mil的信號線長度,所以這4對差分信號線長度相差比較小,基本上能滿足1000Mbps環境下的通訊要求。


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圖4


  圖4是10Mbps/100Mbps網絡接口(CN8-2)走線長度參數值。從參數上可以看到,對于100Mbps網絡接口,TX與RX這兩對差分信號線長度是獨立地、各自控制線長。


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圖5


  在圖5中所表示的,是100M_NET2_RX這對差分信號線,它的兩條信號線(100M_TPRX2+、100M_TPRX2-)長度差約為20mil,滿足網絡通訊的差分走線設計要求。


  除了按照差分要求走線、以及PCB線長控制以外,還需要注意,信號線從端口出線后,要盡可能早地讓兩條信號線進行等長處理。如下圖所示:


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 圖6 圖7 


  圖6中,差分信號線的出線是對稱的,所以出線后,直接按照差分走線即可。在圖7中,由于差分信號線出線是不對稱的,所以出線后,要盡可能早地先進行信號線等長處理,然后再按照正常差分信號線進行走線。


2、網絡端口的ESD保護


  由于網絡應用的特殊性,網絡端口是很容易受外界信號的干擾,所以系統的網絡信號必須通過1:1的網絡變壓器以后,才能再接入到RJ45插座上,如英創公司使用的一體化10Mbps/100Mbps網絡接口HR871181A,1000Mbps網絡接口HR851178C,內部均有1:1網絡隔離變壓器與共模電感線圈(如圖8所示),這樣可以有效地阻止通訊線上的共模干擾信號,同時也可以防止直流干擾信號對系統網絡驅動器的損壞。


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圖8 HR871181A內部原理圖


  另外,為了更進一步提高網絡端口的ESD特性,可以配合設計專用的ESD保護器件,且在PCB設計時,ESD保護器件要盡可能靠近RJ45網絡端口的引腳焊盤。如下圖所示:


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 圖9 圖10


  圖9所示,為網絡端口專用ESD保護器件在PCB板上,靠近RJ45網絡端口引線。圖10所示為ESMARC EVB電路中,針對網絡端口設計的ESD保護器件。


  最后,對于有金屬外殼的RJ45網絡插座,建議將金屬外殼連接到設備安裝現場的可靠安全接地點上。如果無法保證現場的安全接地的可靠性,建議將RJ45的金屬外殼通過一顆高壓電容(如:102M/1KV)與板子的地平面相連接,如ESMARC EVB的處理方式。