Guide de conception de circuits Ethernet

Présentation de l'architecture matérielle de l'interface Ethernet

Une interface matérielle Ethernet typique se compose des éléments suivants :

• CPU/MCU : système de contrôle principal, responsable du traitement du protocole de couche supérieure.

• MAC (Media Access Control) : couche de contrôle d'accès aux médias, gère l'encapsulation et la vérification des trames de données.

• PHY (Physical Layer) : interface de couche physique, qui convertit le signal numérique émis par MAC en un signal électrique analogique.

• Transformateur réseau (magnétique) : fournit des fonctions d'isolation du signal, de résistance aux interférences en mode commun et d'adaptation d'impédance.

• Interface RJ45 : point de connexion physique, permettant la connexion aux supports physiques Ethernet.

À mesure que le niveau d'intégration augmente, de plus en plus de puces SoC (System on Chip) intègrent MAC, et même certaines intègrent PHY, et les méthodes de conception sont constamment optimisées.

2. Analyse des composants clés

1. Puce PHY

• Fonction : Convertissez le signal numérique de la couche MAC en signal analogique adapté à la transmission sur un câble réseau.

• Paramètres clés :

• Vitesse : 10/100 Mbps (100 M), 1 000 Mbps (1G).

• Type d'interface : MII/RMII/GMII (communication avec MAC).

• Distance de transmission : Gigabit Ethernet prend en charge la transmission par paire torsadée jusqu'à 100 mètres.

• Fonction spéciale : certaines puces PHY prennent en charge POE (Power over Ethernet).

(ii) Transformateur de réseau

• Fonction :

• Isolation électrique : bloque le composant DC entre PHY et RJ45 pour protéger la puce.

• Suppression des interférences de mode commun : réduit les interférences électromagnétiques externes (EMI).

• Adaptation d'impédance : optimise la qualité de transmission du signal.

(III)Interface RJ45

• 100 M (100BASE-TX) : seules 2 paires (4-core) de câbles à paires torsadées sont utilisées (1-2, 3-6 paires dans les câbles Cat5 ou de spécifications supérieures), 1 paire est utilisée pour envoyer des données, 1 paire est utilisée pour recevoir des données et les 2 paires restantes ne sont pas utilisées.

• Gigabit (1000BASE-T) : utilisez les 4 paires (8 conducteurs) de câble à paire torsadée (Cat5e ou supérieur).

3. Points clés de la conception des PCB

1. Disposition générale

• Gardez-le aussi près que possible du RJ45 et raccourcissez la longueur de la trace différentielle.

• Évitez les autres lignes de signal ci-dessous pour éviter les interférences.

(II) Règles de routage des lignes différentielles (TX/RX)

• Correspondance de longueur égale (différence de longueur requise ≤ 5 mil).

• Contrôle d'impédance (généralement une impédance différentielle de 100 Ω).

• Évitez le routage à angle vif pour réduire les réflexions du signal.

(III) Points clés de la conception des ports réseau et des circuits imprimés du transformateur

• Isolation de tension de tenue : La zone d'isolation au milieu du transformateur de réseau doit être suffisamment large pour garantir les exigences de tension de tenue. PHY et RJ45 doivent être sur des plans de masse différents, et la disposition ou le routage interplan est interdit.

• Traitement anti-interférence : toutes les couches situées sous le transformateur sont creusées pour empêcher la feuille de cuivre inférieure d'introduire du bruit.

• Routage de ligne différentiel : donnez la priorité à la couche inférieure, loin de la couche de terre de l'enveloppe du port réseau. Il est recommandé de contrôler l'impédance à 100 Ω ± 10 % (pas obligatoire mais recommandé).

• Mise à la terre du boîtier : le fil de terre du boîtier métallique du port réseau doit être épaissi pour garantir une connexion à faible impédance.

4. Conception de protection d'interface

• Dispositifs de protection ESD :utilisé pour empêcher les décharges électrostatiques de causer des dommages aux circuits suivants.

• Dispositif de protection contre les surtensions :utilisé pour empêcher les surtensions générées par la foudre et d’autres facteurs d’endommager le circuit.

5. Analyse de cas d’application pratique

En prenant comme exemple un dispositif d'automatisation industrielle, sa conception d'interface Ethernet utilise une puce SoC qui intègre MAC et PHY, et permet une communication stable et fiable grâce à une disposition et un routage raisonnables. Dans les applications réelles, l'appareil peut fonctionner de manière stable dans des environnements électromagnétiques complexes, répondant ainsi aux exigences élevées de l'automatisation industrielle en matière de communication Ethernet.