VOOHU実戦：アンマネージドスイッチソリューションの実装方法 -スイッチング チップ (100M/ギガビット) の選択と統合された磁気 RJ45 ネットワーク ポート設計により、落とし穴を回避します

5-ポートおよび8-ポートのアンマネージド スイッチ (アンマネージド スイッチ)、小型デスクトップ スイッチ、微弱電流ボックスを監視するための「フール スイッチ」、およびマザーボード上の「さらにいくつかのネットワーク ポートを拡張する」必要があるイーサネット製品は、最も多く出荷されているイーサネット製品の 1 つです。セキュリティ支線、ビルディングインターホン、産業用ゲートウェイ、セットトップボックス/光モデムアンダーマウント、オフィスデスクトップ -それらはほとんどどこでも使用されています。多くのハードウェア エンジニアがこのタイプのボードを初めて作成するとき、同じ質問に行き詰まるでしょう。100M または 100M スイッチング チップを選択するべきか、ポートはいくつ選択する必要があるか? PHY がチップに統合されているため、ネットワーク ポートにネットワーク トランスが必要ですか? また、その構成方法は?電源を入れるとすぐに証明の最初のバージョンをネゴシエートできない、または EMC 放射テストが基準を超えている、または ESD テストが不合格であるのはなぜですか?

これらの問題は散在しているように見えますが、実際にはその根本は「スイッチング チップ + ネットワーク ポートの磁気部品 + ポート保護」というリンクの選択と調整にあります。この記事は、非ネットワーク管理スイッチング チップの物理層構造から始まり、選択ロジック、ネットワーク ポート設計のポイント、および最も一般的な落とし穴を一度に説明し、VOOHU のオンシェルフ スイッチング チップ、統合磁気 RJ45、およびネットワーク トランスに基づいて実用的な選択の提案を提供します。

1. 非ネットワーク管理スイッチング チップの内部には正確に何が統合されていますか?

適切な材料を選択するには、まずチップの境界を確認します。非ネットワーク管理装置スイッチチップ、本質的に「スイッチ コア (MAC アドレス テーブルとメッセージ キャッシュを含む) + 各ポートのイーサネット」に等しいPHY+内部SerDes/MII相互接続」。言い換えれば、MACとPHYの両方がチップに組み込まれています。エンジニアが回路図で見るのは、数組のMDI差動ポート、電源、クロック水晶発振器、およびLEDドライバのみです。これが、「PHY +独立したMAC」ソリューションよりもトラブルが少なく、コスト効率が高い理由です。

ただし、ここで留意しなければならない重要な結論があります。スイッチング チップは PHY を統合しますが、ネットワーク トランスは統合しませんし、統合することはできません。各銅ケーブル ポートの MDI 差動ペア (10Base-T/100Base-TX/1000Base-T) は、RJ45 に接続してシャーシの外に接続する前に、ネットワーク トランス (または統合磁気 RJ45 内の磁気モジュール) を通過する必要があります。ネットワーク変圧器は、1500 ～ 3000 V の電気絶縁、コモンモード ノイズ抑制、トランシーバー チャネルのインピーダンス整合を担当します。これら 3 つはシリコン ベースの PHY で置き換えることはできません。ネットワーク ポートの磁気絶縁が省略されている場合、EMC/ESD が通過できなくなるか、接地電位差によって引き起こされる接地循環によりポートが直接破壊されます。

1.1 100M チップとギガビット チップのネットワーク ポートの違いは何ですか?

100M (100Base-TX) は、送信用と受信用の 2 つのペアの回線のみを使用し、対応するネットワーク トランスは 2+2 構造です。ギガビット(1000Base-T)は全二重送受信に関与する回線が4対あり、ネットワークトランスは4対構成である。センタータップ、コモンモードチョーク、終端は2倍となり、リターンロス、近端クロストーク(NEXT)、コモンモード抑圧比の要件もより厳しくなっている。このプロジェクトでよくある間違いは、ギガビット ポートに 100M でしか動作できないネットワーク チェンジャーを装備していることです。その結果、ギガビットをネゴシエートできず速度が 100M までしか低下できないか、長いケーブルが接続されるとすぐにビット エラー レートが急上昇してパケットが失われます。したがって、速度レベルは、ネットワーク ポートの磁気コンポーネントを選択する際の最初の赤線となります。

1.2 統合磁気 RJ45 とディスクリート ネットワーク トランス + 通常の RJ45 のどちらを選択すればよいですか?

統合された磁気 RJ45 (マグ - ジャック、VOOHU など)統合された磁気 RJ45SYTシリーズ）は、ネットワークトランス、コモンモードインダクタ、RJ45コネクタを同じコネクタシェルに詰め込むことで、基板スペースと配線を節約し、PHYから磁気部品までの配線長を自然に短縮します。大量生産の一貫性が高く、多数のポートと狭いスペースを備えたスイッチ マザーボードに特に適しています。価格は単価が若干高く、柔軟性が低くなります。個別計画 (ネットワークトランス+ 通常の RJ45)、基板単体のコストが低く、磁気部品を個別に選択して交換でき、耐電圧と PoE 電流を高くできますが、基板面積が大きくなり、配線が長くなり、レイアウト要件が高くなります。

一文の決定: 多数のポート、狭いスペース、バッチの一貫性の追求により、磁気 RJ45 の統合が優先されます。非常にコストに敏感なニーズ、より高い絶縁耐圧またはより優れた PoE 過電流能力、および磁気部品を柔軟に交換できる機能の場合は、ディスクリート ソリューションを選択してください。両者の電気原理は全く同じであり、唯一の違いは、統合、コスト、柔軟性の間のトレードオフです。

1.3 電源を入れるとすぐにネゴシエーションが機能しないのはなぜですか、または EMC/ESD テストが失敗するのはなぜですか?

ネゴシエーションの失敗または説明できない速度低下: 最も可能性が高いのは、MDI 差動ペアとネットワーク トランスの間のトレースの長さが 100Ω に等しくないか、センター タップ デカップリング コンデンサ (通常 0.1µF/1kV) がないか、耐電圧が不十分であるか、Bob-Smith 終端 (75Ω＋1000pF/2kV) が適切に整合していないか、あるいは単にネットワーク トランスのレート レベルが不十分である可能性があります。 EMC 放射 (RE) が基準を超えています。差動ペアの長さが等しくなく、ネットワーク トランスによってコモン モード ノイズが追加されていない場合によく発生します。信号線コモンモードインダクタ効果的なサプレッション、シャーシアース、信号アースの不適切な取り扱い。 ESD/サージ キル ポート: RJ45 は直接露出するポートであり、変圧器のケーブル側に追加する必要があります。ESD/TVSアレイ、屋外または雷保護シナリオでは、GDT ガス放電管をセンター タップ/シャーシ アースに重ね合わせます。これらの落とし穴のほとんどは、選択とレイアウトの段階で事前に回避できます。

2. VOOHU アンマネージド スイッチ ソリューションの選択に関する提案

実際には、「ポートの数 → 速度 → 屋内または産業用」の 3 段階のプロセスに従い、チップ、ネットワーク ポートの磁気コンポーネント、およびポート保護を一度に組み立てることをお勧めします。

最初のステップは、スイッチング チップを注文することです。デスクトップ/オフィス 5-ポート 100M の場合は、JL5104/JL5105 を選択します。 8-ポート100Mのモニタリングおよび弱電流ボックスの場合は、JL5108を選択してください。家庭/SOHO 5-ポートギガビットの場合は、JL6105 を選択します。 8 ポート ギガビット、さらには光アップリンクを必要とする産業用スイッチの場合は、JL6108/JL6110 (SGMII/1000Base-X- 光ポートをサポート) を選択してください。動作温度に関しては、商業用接尾辞 -NC (0 ～ 70℃) は屋内消費者製品に使用され、工業用接尾辞 -NI (-40 ～ 85℃) は屋外シャーシ、工業用弱電流井戸、作業場、および温度に十分なマージンを残すためのその他の幅広い温度シナリオに使用されます。

2 番目のステップは、ネットワーク ポートの磁気部分を決定することです。ポートが多く、スペースが狭い場合は、統合磁気 RJ45 (SYT シリーズ、たとえば、8 ポートの場合は SYT811B198FA2A10DQB、1 ポートの場合は SYT111B372EA2A1DFL) を使用します。コスト重視 または、より高い耐電圧と大きな PoE 電流が必要な場合は、ディスクリート ネットワーク トランス (ギガビット シングル-ポート WHSG24701D1、デュアル-ポート WHDG48201P1、100M ポート用 10/100 ネットワーク トランス) + 通常の RJ45 を使用します。 3 番目のステップは、保護と EMC を決定することです。各ポートの MDI ケーブル側に ESD/TVS を予約し、放射整流用に信号線コモンモード インダクタ (WHAC3225B、WHLC2012A など) を予約し、屋外/雷保護用にスタック GDT を予約します。

説明: 商用仕様の場合は -NC を選択し、工業仕様の場合は -NI を選択します。統合された磁気 RJ45 はディスクリート ネットワーク トランスと同じ電気原理を備えており、スペース、コスト、耐電圧/PoE 要件に応じて選択できます。光ポートは、SFP コネクタを備えたシーン スイッチ チップの SGMII/1000Base-X にアップリンクされています。

3. 結論: 選択のリスクを設計段階に進める

アンマネージド スイッチは「最も単純なイーサネット製品」のように見えますが、一度テストして修理せずに大量生産できるかどうかを実際に決定するのは、スイッチング チップの速度とポート番号の選択、ネットワーク ポートの磁気特性 (統合または個別)、およびポート保護のマッチングです。赤い線を常に覚えておいてください。チップは PHY を統合しますが、ネットワーク トランスを統合することはなく、ネットワーク ポートの磁気絶縁を 1 つも省略することはできません。 VOOHU のスイッチング チップ、統合磁気 RJ45 およびフルレート ネットワーク トランス、コモン モード インダクタ、ESD/TVS/GDT を使用して相同な BOM を構築すると、選択とレイアウトのリスクを生産ラインから設計段階に移すことができ、ソリューションがよりシンプルで信頼性が高まり、その後の認証とバッチ納品がより安心できるようになります。

よくある質問 (FAQ)

Q1.スイッチング チップには PHY が統合されていますが、ネットワーク トランスは必要ですか?

必須です。このチップは MAC と PHY を統合しています。ネットワーク変圧器は、電気的絶縁 (1500 ～ 3000 V)、コモンモード抑制、およびインピーダンス整合を担当しますが、これらをチップで置き換えることはできません。ネットワークの変更を省略すると、少なくとも EMC/ESD が通過しなくなるか、最悪の場合、接地電位差によって引き起こされる接地循環によってポートが直接破壊されます。必ず1枚ずつ保管してください。

Q2. 5-ポート/8-ポートのアンマネージド スイッチの場合、100M または 1000M チップを選択する必要がありますか?

リンク要件を確認してください。純粋な監視、アクセス制御、古い機器の分岐には 100M で十分です。 JL51xx (JL5105/JL5108 など) を選択する方がコスト効率が高くなります。家庭/オフィス、NVR バックホール、産業用バックボーンには、ギガビット JL61xx (JL6105/JL6108 など) を選択してください。 「見た目のパラメータ」を理由に、やみくもにギガビットに移行しないでください。ギガビット ネットワークの変換とレイアウトのコストは高くなります。

Q3.一体型磁気 RJ45 と「ディスクリート ネットワーク トランス + 通常の RJ45」のどちらを選択すればよいですか?

ポートの数が多く、スペースが狭く、バッチの一貫性を追求する場合は、統合磁気 RJ45 (SYT シリーズ) を選択して、ボードと配線を節約してください。コストに非常に敏感で、より高い耐電圧またはより大きな PoE 電流、および磁気部品の柔軟な交換が必要な場合は、ディスクリート ソリューションを選択してください。両者の電気原理は同じですが、違いは統合、コスト、柔軟性にあります。

Q4.商用または産業用スイッチング チップを選択する必要がありますか? -NC と -NI の違いは何ですか?

周囲温度を見てください。 -NCは商用仕様(0~70℃)で、屋内のデスクトップ/オフィスに使用されます。 -NI は工業仕様 (-40~85℃) であり、屋外シャーシ、工業用弱電流井戸、ワークショップに使用されます。温度マージンが不十分な場合、高温クラッシュやランダムなパケット損失が発生します。広い温度シナリオでは、必ず -NI を選択してください。

Q5.サンプルのギガビット ポートはネゴシエートできないか、100 Mbit/s しか実行できません。最初に何を確認すればよいですか?

まず、ネットワークの可変レート レベル (100/1000 以上である必要があります)、4 組の MDI 差動が 100Ω に等しいかどうか、センター タップ コンデンサと Bob-Smith 終端が完了しているかどうかを確認してから、チップ ストラップとクロックを確認します。問題の約 80% は、ソフトウェア構成ではなく、磁気コンポーネントの選択または終端の問題が原因で発生します。

Q6.マルチポートスイッチのEMC放射(RE)が基準を超えています。それを修正するにはどうすればよいですか?

まず、各ポートのネットワークトランスのコモンモード抑制が適切に行われ、差動ペアの長さが等しいことを確認してから、PHY とネットワークトランスの間に信号線コモンモードインダクタ (WHAC3225B、WHLC2012A など) を確保し、ポートごとに取り付けます。シャーシのアースと Bob-Smith 終端と連携します。基準を超えるほとんどの RE を抑制できます。

Q7.スイッチ ネットワーク ポートには ESD およびサージ保護が必要ですか?どこに追加しますか?

RJ45 は露出されたポートなので、保護する必要があります。 ESD/TVS アレイは変圧器のケーブル側 (MDI からグランド) に追加されます。屋外または雷保護が必要な場合、GDT ガス放電管はセンタータップ/シャーシアースに積み重ねられます。屋内消費者向け製品の場合は、少なくとも ESD アレイを使用してください。裸で走らないでください。

Q8.スイッチング チップ、ネットワーク ポート、磁気コンポーネントをすべて 1 か所にまとめることは可能ですか?

実現可能。 VOOHU のスイッチング チップ、統合された磁気 RJ45 およびフルレート ネットワーク トランス、コモン モード インダクタ、および ESD/TVS/GDT は同じ電源から供給されます。 BOM をワンストップで構成し、ピン-to-ピンおよびレイアウトの提案を提供して、選択と検証のサイクルを短縮します。