Notizie PCB - Demistificazione della realizzazione dell'interfaccia Ethernet sul circuito stampato in fabbrica

Ethernet è nata negli anni '70, e non siamo estranei ad esso oggi. È emerso in ogni angolo della vita moderna. Forse è a causa della sua ubiquità che lo rende misterioso. Oggi, l'editore della fabbrica di circuiti stampati svelerà il suo mistero.

Le interfacce di rete che utilizziamo oggi sono tutte interfacce Ethernet e la maggior parte dei processori attualmente supporta interfacce Ethernet. Attualmente, Ethernet comprende principalmente tre interfacce di 10M, 10/100M e 1000M secondo la velocità. Le applicazioni 10M sono state molto poche, e sono fondamentalmente sostituite da 10/100M. Attualmente, il tipo di interfaccia Ethernet dei nostri prodotti adotta principalmente l'interfaccia RJ45 twisted pair ed è fondamentalmente utilizzato nel campo di controllo industriale. A causa della particolarità del campo di controllo industriale, siamo abbastanza sofisticati nella selezione di dispositivi Ethernet e progettazione PCB. Dal punto di vista hardware, il circuito di interfaccia Ethernet è composto principalmente da controllo MAC (Media Access Controlleroler) e interfaccia a livello fisico (Physical Layer, PHY). La maggior parte dei processori include il controllo MAC Ethernet, ma non fornisce un'interfaccia a livello fisico, quindi è necessario un chip fisico esterno per fornire un canale di accesso Ethernet. Di fronte a un circuito di interfaccia così complicato, credo che tutti gli ingegneri hardware vogliano sapere come il circuito hardware viene implementato sul PCB.

La figura 1 mostra un'applicazione tipica di Ethernet. Il nostro design PCB è fondamentalmente disposto e instradato secondo questo diagramma a blocchi. Ora useremo questo diagramma a blocchi per spiegare in dettaglio i punti principali del layout e del routing relativi a Ethernet.

Figura 1 Applicazione tipica di Ethernet

Figura 2 Il layout PCB e lo schema di cablaggio del circuito di riferimento del trasformatore della porta di rete non integrato nel connettore della porta di rete. La seguente figura 2 introduce i punti che devono essere prestati attenzione al layout e al cablaggio del circuito Ethernet.

Figura 2 Layout PCB e riferimento di cablaggio del circuito in cui il trasformatore non è integrato nel connettore della porta di rete

a) La distanza tra RJ45 e il trasformatore deve essere il più breve possibile. L'oscillatore di cristallo dovrebbe essere lontano dall'interfaccia, dal bordo del PCB e da altri dispositivi ad alta frequenza, tracce o componenti magnetici. La distanza tra il chip di strato PHY e il trasformatore dovrebbe essere il più breve possibile. Considerando il layout generale, questo può essere più difficile da soddisfare, ma la distanza massima tra di loro è di circa 10 ~ 12cm. Il principio del layout del dispositivo è solitamente quello di posizionare secondo la direzione del flusso del segnale e non deve andare in giro;

b) Il filtro di potenza del chip di strato PHY è progettato in conformità con i requisiti del chip. Di solito, un condensatore di disaccoppiamento è posizionato su ogni terminale di alimentazione. Possono fornire un percorso di bassa impedenza per il segnale e ridurre la risonanza tra l'alimentazione elettrica e il piano di terra. Gioca il ruolo di disaccoppiamento e bypass, quindi è necessario garantire che l'area del ciclo composta da condensatori, tracce, vias e pad di disaccoppiamento e bypass condensatori sia il più piccolo possibile e l'induttanza del piombo sia il più piccolo possibile;

c) Il condensatore del filtro del rubinetto centrale del lato chip dello strato PHY del trasformatore della porta di rete al suolo dovrebbe essere il più vicino possibile al perno del trasformatore per garantire il cavo più breve e la più piccola induttanza distribuita;

d) La resistenza del modo comune e il condensatore ad alta tensione sul lato dell'interfaccia del trasformatore della porta di rete sono posizionati vicino al rubinetto centrale e il cablaggio è corto e spesso (â ¢ 15mil);

e) I due lati del trasformatore devono tagliare la terra: cioè, la base di collegamento RJ45 e la bobina secondaria del trasformatore utilizzano un terreno isolato separato, l'area di isolamento è più di 100mil e non c'è alimentazione elettrica e strato di terra sotto questa area di isolamento. Questo processo di segmentazione deve raggiungere l'isolamento tra primario e secondario e l'interferenza dalla sorgente di controllo è accoppiata al secondario attraverso il piano di riferimento;

f) La linea di alimentazione dell'indicatore luminoso e della linea del segnale di azionamento sono instradati l'uno accanto all'altro per ridurre al minimo l'area del ciclo. L'indicatore luminoso e la linea differenziale dovrebbero essere separati, se necessario, e i due dovrebbero essere tenuti a una distanza sufficiente. Se c'è spazio, può essere separato da GND;

g) Le resistenze e i condensatori utilizzati per collegare GND e PGND devono essere collocati nell'area di divisione a terra.

2. Le linee di segnale Ethernet sono sotto forma di coppie differenziali (Rx±, Tx±). Le linee differenziali hanno un forte rifiuto di modalità comune e una forte capacità anti-interferenza, ma se il cablaggio è improprio, porterà una seria integrità del segnale. Problemi sessuali. Introduciamo i punti di elaborazione della linea differenziale uno per uno:

a) Dare priorità al disegno di coppie differenziali Rx±, Tx±, cercare di mantenere le coppie differenziali parallele, uguale lunghezza e breve distanza ed evitare vie e croci. A causa di fattori quali distribuzione del perno, vias e spazio di cablaggio, è probabile che la lunghezza della linea differenziale sia disadattata, la tempistica sarà spostata e verrà introdotta l'interferenza di modalità comune, che ridurrà la qualità del segnale. Pertanto, è necessario compensare il disallineamento della coppia differenziale per corrispondere alla lunghezza della linea. La differenza di lunghezza è solitamente controllata entro 5mil. Il principio di compensazione è quello in cui viene compensata la differenza di lunghezza;

b) Quando il requisito di velocità è alto, è richiesto il controllo dell'impedenza di coppia differenziale Rx±, Tx±, solitamente l'impedenza è controllata a 100Ω±10%;

c) La resistenza differenziale del terminale del segnale (49.9Ω, alcuni chip di strato PHY potrebbero non) deve essere posizionata vicino ai pin Rx± e Tx± del chip di strato PHY, che possono meglio eliminare la riflessione del segnale nel cavo di comunicazione;

d) I condensatori del filtro sulla coppia differenziale devono essere posizionati simmetricamente, altrimenti il modo differenziale può essere convertito in modo comune, causando rumore di modo comune e non ci devono essere stub durante il routing, in modo da avere una buona soppressione del rumore ad alta frequenza.

3. Il layout PCB e il cablaggio del circuito Ethernet con il trasformatore integrato nel connettore sono molto più semplici di quelli senza integrazione. La figura 3 qui sotto è il layout PCB e lo schema di riferimento del cablaggio del circuito della porta di rete con il connettore integrato:

Figura 3 Layout PCB della porta di rete e diagramma di riferimento del cablaggio del connettore integrato

Come si può vedere dalla figura precedente, la differenza tra la figura 3 e la figura 1 è che il trasformatore della porta di rete è omesso e gli altri sono approssimativamente gli stessi. La differenza si riflette principalmente nel trasformatore della porta di rete è stato integrato nel connettore, quindi il piano di terra non deve essere diviso, ma dobbiamo ancora collegare il guscio della macchina integrata a un piano di terra continuo.

Il layout Ethernet e il routing sono approssimativamente gli stessi. Un buon layout PCB t può non solo garantire le prestazioni del circuito, ma anche migliorare le prestazioni del circuito.