以太网系列之“硬件电路设计”

硬件助手 2019-04-30

本文主要介绍以太网电路的硬件设计,主要介绍接口防护,包括共模和差模防护、雷击浪涌等。





  • 变压器匝数比不同,变压器前面信号线上的49.9欧姆电阻就不同,根据实际变压器情况以及网线阻抗进行选择(主要是为了实现阻抗匹配,当变压器初次比为1:1时,输入电阻和输出电阻之比为1:1,并联50Ω电阻在输出端看来就是100Ω的匹配电阻。一般采用单电阻形式,并联到VCC_IO);

  • 网口变压器中心抽头的电容值对EMC性能有影响,调整电容的大小,可以使EMC性能最优;

  • 变压器前端信号线上由电容组成的差模、共模滤波器可以增强EMC性能;

  • 集成变压器网口的BobSmith电路集成在网口连接器里;


1、以太网防护

以太网的防护主要针对四种主要的威胁而采取保护:雷电感应浪涌(Lighting Induced Surges)、ESD(即静电放电ElectroStaticDischarge)、EFT(即电气快速瞬变Electrical Fast Transient)和CDE(即电缆放电事件Cable Discharge Event)。了解这些事件的性质和“方向性”,有助于指导设计人员如何最好地对以太网端口进行保护。低电容在这些器件中尤其重要,它可以避免信号失真,特别是在吉比特以太网电路中。

10Mbps以太网接口的浪涌冲击防护,防护电路在收发器两端口的耦合变压器初级采用差模电路形式进行,共模防护电路可以不用。

对于100/1000Mbps以太网,SPD上几pF的电容并接于高速数据信号线上,会产生高速数据信号的分流,造成传输信号的丢失和损耗。此时要求SPD极间电容必须小于3pF,否则不能保证“信号的完整性”。



千兆位以太网的二级防雷电路,可以使用上图TVS管阵列,它由8支控向二极管和一支雪崩二极管组成,8支控向二极管组成两个桥式电路;1和6,3和4是两个桥式电路的信号输入端,两个桥式电路的输出端接雪崩二极管,是共用的;雪崩二极管负责浪涌冲击的箝位和吸收。

当正的浪涌冲击脉冲从1脚侵入时,它的路径是:通过1脚连接的正向的控向管接到雪崩二极管的负极,雪崩二极管的正极连接另一支控向管的正极,然后到达6脚,可以看出是两支“导向”的控向管和一支雪崩管的串联,串联的结果是减小了TVS的“电容”,同理,从3、4、6脚进入干扰都是一样的路径。

当负的浪涌冲击脉冲从1脚侵入时,它的路径是:通过1脚连接的负向的控向管接到雪崩管的正极,雪崩二极管的负极接另一支控向管的负极,然后到达6脚。同理,从3、4、6脚进入干扰都是一样的路径。

控向二极管的“导向”作用,扩展了TVS的应用路数,从原来的一路,扩展到四路;同时减小了TVS的等效电容,还降低了TVS的成本。


★注:TVS管就是要将差模干扰转换成共模干扰,尽快通过VCC或GND泄放出去。


1.1、共模和差模

电压电流的变化通过导线传输时有两种形态,称做"共模"和"差模"。设备的电源线,通信线,与其它设备或外围设备相互交换的通讯线路,至少有两根导线,这两根导线作为往返线路输送电力或信号。但在这两根导线之外通常还有第三根线,这就是"地线"。干扰电压和电流分为两种:一种是两根导线分别做为往返线路传输,叫"差模";另一种是两根导线都做去路,地线做返回路传输,叫"共模"。

差模干扰在两导线之间传输,属于对称性干扰;消除差模干扰的方法是在电路中增加一个偏置电阻,并采用双绞线。

共模干扰是在信号线与地之间传输,属于非对称性干扰。消除共模干扰的方法包括:

  • 采用屏蔽双绞线并有效接地;

  • 强电场的地方还要考虑采用镀锌管屏蔽;

  • 布线时远离高压线,更不能将高压电源线和信号线捆在一起走线;

  • 不要和电控锁共用同一个电源;

  • 采用线性稳压电源或高品质的开关电源(纹波干扰小于50mV);

★注:差模防护:防护器件不接VCC和GND。

★注:共模防护:防护器件连接VCC和GND,但是当防护器件内的钳位二极管击穿后仍可防护差模干扰。


1.2、雷击浪涌

雷击浪涌可以是差模或是具有不同波形的共模。

在差模中,测试设备的正极端子和负极端子之间连接着两个导体或引脚(即J1和J2),因此在RJ45端口上进入的能量只在这两个导体之间出现。大部分能量都在线路侧的保护器件(TVS1(x2))上消散,但部分能量也会通过变压器耦合,在变压器的驱动器侧产生共模或差分事件。如这个例子所示的Tx+和Tx-数据线之间造成差模事件。

很多情况下,PHY GND与PCB的模拟地都是隔离的。这是使用耦合变压器的一个优势。在这种情况下,变压器上应只耦合很少的能量。不过由于绕组间电容的影响,TVS1与变压器相结合不会阻止所有的能量传送至PHY端。这些能量将通过变压器的磁性元件经由电容耦合到其驱动器侧,这些能量可能会在以太网PHY出现共模或差分事件(或者两者同时出现)时产生。

为符合IEEE 802.3标准的隔离要求,线路侧保护器件TVS1可能不会将其接地引脚(2、3、6和7)接地。尽管根据IEEE 802.3对UL-60950-1的引用,这种接地连接可被允许。设计人员别无他法,只能将该器件作为一种“仅为差模”的保护器。(注:当然,这必须满足对驱动端保护元件的需求,以防止共模事件。)

对于共模测试,个别导体或数据线自身将就GND进行测试。测试设备的正极端将连接到所有导体或引脚(即J1、J2、J3和J6),负极端连接到GND。在这种情况下,假设线路阻抗紧密匹配,在SP03器件上消散的能量将是非常少量的。大部分的能量将通过变压器的磁性材料而电容性耦合至变压器的驱动端,变为以太网PHY的共模事件。在两个引脚之间的RJ-45端口处出现浪涌事件时,大部分能量在线路端保护装置中耗散,而部分能量则通过变压器在变压器驱动器侧产生共模或差分事件。

不过,与线路侧保护器件不同的是,该器件将其接地引脚连接至局部地平面,并将其参考引脚连接至PHY VCC(Littelfuse公司建议使用这种配置)。如果未连接接地引脚的话,TVS2就会仅成为差分保护器件,并会潜在地允许具有破坏性的共模事件通过未箝制的PHY。此外,应该注意,即使GND引脚已连接,一旦电压差超过内部TVS击穿电压加上两个二极管的电压降,该器件将仍然会保护防止差模事件。

快速以太网的差模和共模测试设置如下图所示:



快速以太网的差模和共模防护如下图所示:



对于在大多TVS二极管阵列中常见的剩下的这个引脚(引脚5,Vcc),Littelfuse还建议将其连接至本地电源,如5V、3.3V电源。(注意:应该确保保护器件的对峙电压(VRWM)远高于电源电压,以防止激活或打开内部TVS二极管。)

通过连接SP3050器件的Vcc引脚,由于电气瞬变将会经由的两条独立的放电路径,设计人员将可获得更好的整体钳位。它可以简单地被认为是一个电阻分压器,瞬变通过控向二极管进入,并经由两条路径:一条由内部TVS至GND,另一条通过电源或一个外部旁路电容至GND。总而言之,将引脚5连接至电源会带来更好的钳位性能,为以太网PHY提供更好的整体保护。

偏置这个Vcc引脚的另一个好处是可以降低从I/O到GND的电容,这与使其保持浮动或不进行连接是完全不同的。应该参考用于保护以太网PHY的特定器件的数据手册,以为设计人员提供这个将部分依赖于Vcc偏置电平的电容(下面是SP3050的图示)。




SLVU2.8-4/8连接方式(FE/GbE防护)如下图所示:




RJ45接头的以太网信号电缆是平衡双绞线,感应的雷电过电压以共模为主,如果能够对过电压进行有效的防护,差模的防护选用小量级的器件就可以了。


1.3、ESD

在所有情况下,可将ESD脉冲的出现,视同对电路的共模事件,参考对GND的能量释放。


1.4、EFT


所有的导体(或引脚)都被电容耦合到测试产生器的正端,另一端则到GND。如果数据线有很好的平衡,则在双绞线(Pairs)之间几乎没有任何能量的差别,但变压器的电容耦合将转移共模的能量到驱动器侧,尽管已减少很多。


1.5、CDE

在IEEE 802.3标准要求绝缘电压为2250伏直流和1500伏交流,以防止可能因高电压产生的CDE而造成的连接器故障。为了避免在这些事件中的电弧,这些绝缘的规定适用于在RJ45连接器,如同变压器的绝缘。为了防止电介质崩溃和电路板上的跳火,印刷电路板接线侧和内部线路的地之间应有足够的漏电距离,布线之间要有足够间隙。实验室测试结果显示,瞬时要能承受2000V的电压,在FR4电路板布线间距应有至少250mil的间距。UTP电缆放电事件可以高达几千伏,非常具有破坏性。电荷积累来自两个主要来源:摩擦电和电磁感应的效果。

这些影响可能来自拉扯聚氯乙烯覆盖CAT5 UTP电缆上的尼龙布,可导致电荷在电缆上建立。类似的方式,电荷也可能建立在1个电缆上,例如当电缆在管道被拉扯或与其它网络电缆摩擦时。此类似人脚在地毯上摩擦所产生的电荷,电荷建立发生在电缆无端点时,电荷不会立即消散(即电缆两端都没有插入到系统里)。此外,累加的电荷必须被保留,才能导致重大损害。新的CAT5和CAT6电缆具有非常低的介质泄漏,往往会保留电荷很长一段时间,相对湿度较低的环境又会使得电荷停留的时间变长。当带电UTP电缆插入1个RJ45网络端,有很多可能的放电路径。突波电流会走最低电感路径,这个路径可能是RJ45接点、PCB走线之间、穿过在变压器里的BST终端电阻(75Ω),或通过半导体零件。根据电缆的长度,累计充电可百倍于1个典型的ESD模型电荷。

这随之而来的高能量放电会损坏连接器、变压器的电路或以太网收发器。双绞线电缆就如同1个电容器储存电荷,研究证实,几百伏充电可以积累在没有终端的双绞线电缆。另外,1个完全放电电缆1小时内就可以建立其一半的潜在电荷。一旦充电,好的电缆可以保留它的大部分电荷超过24小时。由于较长的电缆有更多容量来存储电荷,当电缆长度超过60米时,系统应采取额外的CDE预防措施。

另一个重要因素是对CDE的波形理解,因为它不同于任何威胁,如先前讨论可以是差分或共模取决于耦合机制。此外,初步研究显示,在特性上可以有较大的变化,但总体而言,CDE的波形具有较高的能量并呈现在电压和电流推力。波形是分布在数百奈秒的时间快速极性反转。

从电路设计人员的角度来看,以太网系统的设计和布线注意CDE的重点应放在对IC破坏能量的转移。系统设计考虑包括增设TVS二极管阵列(SPA)和耦合变压器本身。变压器电路将有助于防止共模突波,但高能量突波应该有路径到地GND。

任何接线侧(Line Side)的保护器(上述SP03)不能有其GND接脚(2,3,6,7)连接到GND,以符合IEEE802.3的隔离标准,因此,设计者只得采用仅差动(differential only)保护器。当然,这就必须有1个驱动侧(Drive Side)的保护元件,以防止共模事件。

该元件保护PHY或驱动侧总有I/O接脚连接到差动对,然而不同线路侧保护器,此元件可以有它的GND接脚连接到GND层,且Littelfuse建议这样的配置。如果GND接脚没有连接,保护装置(此例中为SP3050)将成为仅差动保护装置,将无法箝制破坏性的共模突波而导致能量直接冲击到PHY。此外,尽管GND接脚接地,此装置仍可保护差动事件,当压差超过内部TVS崩溃电压加上二极管顺偏(使用SP3050时)。

对于有一接脚常见在TVS二极管阵列,第5脚,VCC,Littelfuse也建议,连接到电源,如5V,3.3V等(注意确认,保护器的断态(Standoff)电压或VRWM须高于电源电压,以防止触发或打开内部TVS。由于连接在SP3050VCC接脚,电气突波将通过两个独立的放电路径(通过电源和地),设计者将获得整体更好的箝制。可以简单看作是突波进入1个电阻分压器,经由二极管的两个途径:一是通过内部TVS接地,二是电源或通过外部旁路电容接地。总而言之,连接5脚到电源将产生更好的箝位性能,提供整体更好的以太网PHY防护。

另一个好处是偏压VCC引脚连接后,与不接相比,会有较低I/O对地的电容。零件规格书应提供给设计者VCC的偏压对电容的关系,以利保护以太PHY的设计。

当使用TVS阵列保护1个以太网端口,设计者应该始终对威胁保持警觉,做出保护与预防。在几乎所有情况下,威胁都是差动和共模事件的组合,当保护装置正确连接,可以有效地箝制。接线侧保护元件被限于差动保护,但驱动或PHY侧保护装置应连接到GND、本地电源。这将提供最好的箝制性能和最大的以太网端口可靠性。


2、SCH&PCB设计
2.1、原理图设计

原理图的设计比较简单,基本就是参考PHY芯片的datasheet,同时确定好Drive侧的接口即可,下面介绍一下Line侧的线序问题。

第一种:支持Auto-MDIX或是Auto-Cross(芯片上虽然标示TX和RX,但是发送端可以作为接收端,接收端可以作为发送端),PHY后端的匹配阻容放置位置关系不大。

Automatic MDI/MDIX is described inIEEE 802.3ab Clause 40, section 40.8.2. Since the RX and TX line pairs areinterchangeable, special PCB design considerations are needed to accommodatethe symmetrical magnetics and termination of an AutoMDIX design.

Auto-MDIX is enabled by default,and can be disabled by the Auto MDIX Disable bit in the 10/100 ModeControl/Status Register. When Auto-MDIX is disabled, the TX and RX pins can beconfigured manually by the MDI/MDI-X 0:1 and MDI/MDI-X 2:3 bits in the ExtendedMode Control/Status Register.

Semi Crossover is an extension toHP Auto-MDIX that corrects for a cable with only two pairs crossed. If SemiCrossover is enabled, after the device has attempted to establish a link withall four signal pairs normal or crossed, it will attempt to establish a linkwith pairs 2/3 switched and 0/1 straight, and then with pairs 0/1 switched andpairs 2/3 straight. The Semi Crossover is enabled by default, and can bedisabled by the Semi Crossover Enable bit in the 10/100 Mode Control/StatusRegister.

After resolution of crossed pairsis complete, using either HP Auto-MDIX or the Semi Crossover function, theMDI/MDIX status is reported through the XOVER Resolution 0:1 and XOVERResolution 2:3 bits of the User Status 2 Register.



★注:以上摘自Microchip公司LAN8820手册,详细参考IEEE 802.3-2012 Clause40.8.2。

第二种:不支持Auto-MDIX或是Auto-Cross,需要区分接收端和发射端,匹配阻容需要靠近源端(TX靠近PHY,RX靠近变压器)。


2.2、PCB设计

PHY到变压器之间没有等长要求,MAC到PHY之间有等长要求。

PCB Layout Recommendations:

  • Keep the traces between the magnetic module and the RJ-45 jack as short as possible — their length should be less than 25 mm (1 inch), and their impedance should be kept below 50Ω. No vias or layer changes are allowed. A module that integrates the RJ-45 jack with the magnetic module is preferred.

  • The Tx+/Tx- and Rx+/Rx- traces should always be as short as possible (less than 25 mm or 1"). If longer traces are absolutely required, the maximum length is limited to 75 mm (3"). The individual trace impedance of Tx+/Tx- and Rx+/Rx- must be kept below 50Ω, and the differential characteristic impedance of the pair must be 100Ω.

  • Route each Tx+/Tx- and Rx+/Rx-pair together, keeping their separation under 0.25 mm (0.01"), using 0.25mm (0.01") traces. Keep the Tx+/Tx- and Rx+/Rx- trace lengths as equal as possible.

  • The separation between theTx+/Tx- and the Rx+/Rx- differential pairs must be at least 0.5 mm(0.02"). It is best to separate them with a ground plane.

  • Avoid any off-board wire assemblies. If wire assemblies are needed, use a twisted pair to connectTx+/Tx- and Rx+/Rx-, and keep their length as short as possible., no more than75 mm (3").

  • Never use right-angle traces —use 45° angles or curves in traces.

  • Trace widths should not vary.

  • Use precision components (1percent or better) in the line-termination circuitry.

  • Ensure that the power supply is well regulated (3.3 V DC ±5%).


硬件助手 将艺术融于技术,将技术融于生活。 Art in tech, tech in life.
评论
热门推荐
相关推荐
我要评论
0
0
点击右上角,分享到朋友圈 我知道啦
请使用浏览器分享功能 我知道啦