Leitfaden zum Entwurf von Ethernet-Schaltungen

Überblick über die Hardwarearchitektur der Ethernet-Schnittstelle

Eine typische Ethernet-Hardwareschnittstelle besteht aus den folgenden Teilen:

• CPU/MCU: Hauptsteuerungssystem, verantwortlich für die Protokollverarbeitung der oberen Schicht.

• MAC (Media Access Control): Medienzugriffskontrollschicht, übernimmt die Kapselung und Überprüfung von Datenrahmen.

• PHY (Physical Layer): Schnittstelle der physikalischen Schicht, die das von MAC ausgegebene digitale Signal in ein analoges elektrisches Signal umwandelt.

• Netzwerktransformator (Magnetik): Bietet Signalisolierung, Gleichtakt-Störfestigkeit und Impedanzanpassungsfunktionen.

• RJ45-Schnittstelle: physischer Verbindungspunkt, der die Verbindung zu physischen Ethernet-Medien ermöglicht.

Mit zunehmendem Integrationsgrad verfügen immer mehr SoC-Chips (System on Chip) über integrierten MAC und einige sogar über integrierten PHY, und die Designmethoden werden ständig optimiert.

2. Analyse der Schlüsselkomponenten

1. PHY-Chip

• Funktion: Wandelt das digitale Signal der MAC-Schicht in ein analoges Signal um, das für die Übertragung über Netzwerkkabel geeignet ist.

• Schlüsselparameter:

• Geschwindigkeit: 10/100 Mbit/s (100 M), 1000 Mbit/s (1G).

• Schnittstellentyp: MII/RMII/GMII (Kommunikation mit MAC).

• Übertragungsentfernung: Gigabit Ethernet unterstützt Twisted-Pair-Übertragung bis zu 100 Meter.

• Sonderfunktion: Einige PHY-Chips unterstützen POE (Power over Ethernet).

(ii) Netzwerktransformator

• Funktion:

• Galvanische Isolierung: Blockiert die Gleichstromkomponente zwischen PHY und RJ45, um den Chip zu schützen.

• Unterdrückung von Gleichtaktstörungen: Reduziert externe elektromagnetische Störungen (EMI).

• Impedanzanpassung: Optimiert die Signalübertragungsqualität.

(III) RJ45-Schnittstelle

• 100M (100BASE-TX): Es werden nur 2 Paare (4-Kern) verdrillter-paariger Kabel verwendet (1-2, 3-6 Paare in Cat5- oder höheren Spezifikationskabeln), 1 Paar wird zum Senden von Daten verwendet, 1 Paar wird zum Empfangen von Daten verwendet und die restlichen 2 Paare werden nicht verwendet.

• Gigabit (1000BASE-T): Verwenden Sie alle 4 Paare (8 Leiter) des Twisted-Pair-Kabels (Cat5e oder höher).

3. Kernpunkte des PCB-Designs

1. Gesamtlayout

• Halten Sie es so nah wie möglich an RJ45 und verkürzen Sie die Differenzleiterlänge.

• Vermeiden Sie andere Signalleitungen unten, um Störungen zu vermeiden.

(II) Routingregeln für Differenzleitungen (TX/RX).

• Gleiche Längenanpassung (Längenunterschied erforderlich ≤ 5 mil).

• Impedanzsteuerung (typischerweise 100 Ω Differenzimpedanz).

• Vermeiden Sie eine spitzwinklige Verlegung, um Signalreflexionen zu reduzieren.

(III) Kernpunkte des Netzwerkport- und Transformator-PCB-Designs

• Spannungsisolation: Der Isolationsbereich in der Mitte des Netzwerktransformators muss breit genug sein, um die Spannungsfestigkeit zu gewährleisten. PHY und RJ45 müssen sich auf unterschiedlichen Masseebenen befinden und eine Anordnung oder Verlegung über mehrere Ebenen hinweg ist verboten.

• Anti-Interferenz-Verarbeitung: Alle Schichten unterhalb des Transformators sind ausgehöhlt, um zu verhindern, dass die untere Kupferfolie Rauschen verursacht.

• Differenzielles Leitungsrouting: Priorisieren Sie die unterste Schicht, weg von der Bodenschicht des Netzwerk-Port-Shells. Es wird empfohlen, die Impedanz auf 100 Ω ±10 % zu kontrollieren (nicht zwingend erforderlich, aber empfohlen).

• Gehäuseerdung: Der Erdungsdraht des Metallgehäuses des Netzwerkanschlusses muss dicker sein, um eine niederohmige Verbindung zu gewährleisten.

4. Schnittstellenschutzdesign

• ESD-Schutzgeräte:Wird verwendet, um zu verhindern, dass elektrostatische Entladung Schäden an nachfolgenden Stromkreisen verursacht.

• Überspannungsschutzgerät:Wird verwendet, um zu verhindern, dass durch Blitzeinschläge und andere Faktoren verursachte Überspannungen den Stromkreis beschädigen.

5. Praxisnahe Anwendungsfallanalyse

Am Beispiel eines industriellen Automatisierungsgeräts verwendet das Ethernet-Schnittstellendesign einen SoC-Chip, der MAC und PHY integriert und durch angemessenes Layout und Routing eine stabile und zuverlässige Kommunikation erreicht. In tatsächlichen Anwendungen kann das Gerät in komplexen elektromagnetischen Umgebungen stabil arbeiten und erfüllt so die hohen Anforderungen der industriellen Automatisierung an die Ethernet-Kommunikation.