網絡接口(RJ45)布線設計簡要說明

1、網絡接口 RJ45 布線設計簡要說明在嵌入式工控系統(tǒng)中,常用的是10Mbps/100Mbps網絡接口.但是由于CPU快速的開展,1000Mbps網絡也開始在嵌入式系統(tǒng)中使用.它們的通訊頻率都是100BASE-TX 標準：125MHz .英創(chuàng)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(chuàng)公司提供的1000Mbps 網絡,可以向下兼容 10Mbps/100Mbps 網絡,使

2、用4對差分信號線,數(shù)據(jù)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,并沒有根據(jù)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(xiàn)無法預期的異常,或出現(xiàn)損壞率很高的情況.這篇文章會基于英創(chuàng)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,以提升產品的穩(wěn)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

3、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(jù)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,或限制最大線差長度.對于網絡通訊信號線,將信號線最大長度差 限制在+/-25mil 以內即可.對于10Mbps/100Mbps 網絡,它的TX、RX通訊線 是相對獨立的,所以可以分別限制它 TX、RX差分線

4、長度.對于1000Mbps網絡, 它的4對差分信號需要同時進行數(shù)據(jù)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限制,同時也要限制這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.圖1圖2圖1是CN8-1 1000Mbps 網絡接口 PCB走線,圖2是CN8-210Mbps/1000Mbps網絡接口 PCB走線.從圖上可以明顯地知道,每一對差分信

5、號線均嚴格按差分走線要求進行 PCB走線.1CGM_NET2_RX1C0m_nET2_TX188? SI 3mil1570 G3?而 I1皿岫1_D21936 048x11930 豺 mi|3976 551 milHDMI.DC3351/MMIHDWLD13853 ZZZnnilK0MI.D2蚪 EN&eilNETL 冏23403Q5Eil雷蚊50gMiNET2_RX5S0.63milNET2JX皿曄milUSMTGH05J912milUS813727713mli3718 747fwlUS8350999 幽 Ml5697制5而1圖3圖3是1000Mbps網絡接口 (CN8-1 )走線長

6、度參數(shù)值.該參數(shù)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 長度相差比擬小,根本上能滿足 1000Mbps環(huán)境下的通訊要求.17 Mewbil PwR研l(wèi)ed)Avevage Length10OM_NET2_RXm2 513gl1 OOM_NET2

7、-TX157a637nvl1000M_D2H36 M8匐1000M_D3T9MLB副扇IHDMICLK3975 551 milHDMI_DD3951 WmilHDMt.Dl3953722mil掰7書9同NET1.RX23蝴刖5喇1NET1,IX2ML508闡 iNET2wRX550J3milNET2_TX567周川USMTG68Mgi 癡 ilUSB13?7 713mjlUSB 237MLM7MlUSBJ5U99 949雷ilUSB4SG97 795mil圖4是10Mbps/100Mbps網絡接口 CN8-2 走線長度參數(shù)值.從參數(shù)上可以看到,對于100Mbps網絡接口,TX與RX這兩對差分信

8、號線長度是獨立地、各 自限制線長."口桿ere四 PlAveiagie Length10CM_NET2_RX1BH251 加 1100M_NET?_TX15n.637mit1OOOM_D2100DMJD31930 A2MHDM LCLK3375.551 mil5 AddDeleteb EditH«ne /_|RtwtodLvndlhi00M_TPRX2*(*)10?l?6Bhiil100M.T PRX2- H1891.2 58e"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2

9、0mil ,滿足網絡通訊的差分走線 設計要求.除了根據(jù)差分要求走線、以及 PCB線長限制以外,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.如下列圖所示：圖6中,差分信號線的出線是對稱的,所以出線后,直接根據(jù)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,然后再根據(jù)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(tǒng)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(chuàng)公司使用的一體化 10Mbps/100Mbps網絡接口 HR87118

10、1A , 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,同時也可以預防直流干擾信號對系統(tǒng) 網絡驅動器的損壞.STOeTD-Tt+XCCHS GND4K75 ohms| UTP SideI圖8 HR871181A內部原理圖另外,為了更進一步提升網絡端口的 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.如下列圖所示:10JM TP工 lOOMTPR1QDL1 7 PI；10&I.1 Tpq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