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网络接口(RJ45)布线设计简要说明作者:朱贤武    发布时间:2017-3-22    被阅览数:

  在嵌入式工控系统中,常用的是10Mbps/100Mbps网络接口。但是由于CPU快速的发展,1000Mbps网络也开始在嵌入式系统中使用。它们的通讯频率都是100BASE-TX标准:125MHz。英创公司的ESM6802嵌入式主板,可以提供1000Mbps网络接口,符合1000BASE-T(IEEE802.3ab)标准。


  对于10Mbps/100Mbps兼容网络,有2对差分信号线,TX(TX+、TX-)和RX(RX+、RX-),信号TX与RX是相互独立的信号线。


  对于英创公司提供的1000Mbps网络,可以向下兼容10Mbps/100Mbps网络,使用4对差分信号线,数据传输时,会使用全部4对差分信号线。所以对于PCB走线,要求更高。


  然而不少的客户在对以太网端口进行布线设计时,并没有按照以太网信号的差分、阻抗要求进行设计,或者没有考虑网络端口的ESD相关问题,最终导致一部份设备会出现无法预期的异常,或出现损坏率很高的情况。


  这篇文章会基于英创公司的嵌入式工控主板接口,简单描述网络接口设计时需要注意的地方,以提高产品的稳定与可靠性。


1、网络信号走线要求


  同于网络通讯常用的UTP CAT5e网线,在1Mhz-100Mhz频率下,为100欧阻抗,所以为了得到更好的信号传输特性,PCB板上的每对差分信号线也需要设计/生产为100欧阻抗。例如,在ESMARC EVB V5.0中,每对网络差分信号线的线宽为7mil,线距为8mil,在PCB加工生产说明文档/邮件中,就提出阻抗要求:(线宽-线距-线宽)7mil-8mil-7mil,阻抗100欧。一般情况下,PCB厂家会根据你的要求,重新调整铜皮,使信号线的阻抗在要求值的+/-10以内,即可满足要求。


  为了保证高频差分信号线上的信号相位差足够小,需要尽可能保证每一对差分信号线长一致,或控制最大线差长度。对于网络通讯信号线,将信号线最大长度差控制在+/-25mil以内即可。对于10Mbps/100Mbps网络,它的TX、RX通讯线是相对独立的,所以可以分别控制它TX、RX差分线长度。对于1000Mbps网络,它的4对差分信号需要同时进行数据传输,所以对于1000Mbps网络接口的布线,不仅需要对每一对差分线的线长差进行控制,同时也要控制这4对差分线之间的线长差。每一对差分信号线的线距,要大于/等于每条信号线的线宽,以满足电路板的EMI要求。如ESMARC EVB V5.0中,网络信号线的线宽为7mil,差分线的线距为8mil。


  以下,以ESMARC EVB V5.0评估底板为例,举例说明。


 网络接口布线设计简要说明.gif 网络接口布线设计简要说明.gif 
 图1 图2 


  图1是CN8-1 1000Mbps网络接口PCB走线,图2是CN8-2 10Mbps/1000Mbps网络接口PCB走线。从图上可以明显地知道,每一对差分信号线均严格按差分走线要求进行PCB走线。


网络接口布线设计简要说明.gif

图3


  图3是1000Mbps网络接口(CN8-1 )走线长度参数值。该参数可以从EDA工具中查找到。上图中的NET1_TX是1000M_D0,NET1_RX是1000M_D1,再加上通过信号跳线电阻后的1000M_D2、1000M_D3,共同组成1000Mbps网络接口的4对差分信号线。


  在PCB设计走线时,1000M_D2、1000M_D3差分信号线与主板信号插针之间设计了跳线电阻,这之间还有约400mil的信号线长度,所以这4对差分信号线长度相差比较小,基本上能满足1000Mbps环境下的通讯要求。


网络接口布线设计简要说明.gif

图4


  图4是10Mbps/100Mbps网络接口(CN8-2)走线长度参数值。从参数上可以看到,对于100Mbps网络接口,TX与RX这两对差分信号线长度是独立地、各自控制线长。


网络接口布线设计简要说明.gif

图5


  在图5中所表示的,是100M_NET2_RX这对差分信号线,它的两条信号线(100M_TPRX2+、100M_TPRX2-)长度差约为20mil,满足网络通讯的差分走线设计要求。


  除了按照差分要求走线、以及PCB线长控制以外,还需要注意,信号线从端口出线后,要尽可能早地让两条信号线进行等长处理。如下图所示:


 网络接口布线设计简要说明.gif 网络接口布线设计简要说明.gif 
 图6 图7 


  图6中,差分信号线的出线是对称的,所以出线后,直接按照差分走线即可。在图7中,由于差分信号线出线是不对称的,所以出线后,要尽可能早地先进行信号线等长处理,然后再按照正常差分信号线进行走线。


2、网络端口的ESD保护


  由于网络应用的特殊性,网络端口是很容易受外界信号的干扰,所以系统的网络信号必须通过1:1的网络变压器以后,才能再接入到RJ45插座上,如英创公司使用的一体化10Mbps/100Mbps网络接口HR871181A,1000Mbps网络接口HR851178C,内部均有1:1网络隔离变压器与共模电感线圈(如图8所示),这样可以有效地阻止通讯线上的共模干扰信号,同时也可以防止直流干扰信号对系统网络驱动器的损坏。


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图8 HR871181A内部原理图


  另外,为了更进一步提高网络端口的ESD特性,可以配合设计专用的ESD保护器件,且在PCB设计时,ESD保护器件要尽可能靠近RJ45网络端口的引脚焊盘。如下图所示:


 网络接口布线设计简要说明.gif 网络接口布线设计简要说明.gif 
 图9 图10


  图9所示,为网络端口专用ESD保护器件在PCB板上,靠近RJ45网络端口引线。图10所示为ESMARC EVB电路中,针对网络端口设计的ESD保护器件。


  最后,对于有金属外壳的RJ45网络插座,建议将金属外壳连接到设备安装现场的可靠安全接地点上。如果无法保证现场的安全接地的可靠性,建议将RJ45的金属外壳通过一颗高压电容(如:102M/1KV)与板子的地平面相连接,如ESMARC EVB的处理方式。

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