以太网电路设计指南

以太网接口硬件体系结构的概述

典型的以太网硬件接口包括以下部分：

• CPU/MCU：主控制系统，负责上层-层协议处理。

• Mac（媒体访问控制）：媒体访问控制层，处理数据框架的封装和验证。

• PHY（物理层）：物理层界面，将Mac输出的数字信号转换为模拟电信号。

• 网络变压器（磁化）：提供信号隔离，常见模式干扰电阻和阻抗匹配函数。

• RJ45接口：物理连接点，启用与以太网物理媒体的连接。

随着集成水平的提高，越来越多的SOC（芯片上的系统）芯片已经集成了MAC，甚至有些芯片也已经集成了PHY，并且设计方法正在不断优化。

2. 关键组件的分析

1. PHY芯片

• 功能：将MAC层的数字信号转换为适合通过网络电缆传输的模拟信号。

• 关键参数：

• 速度：10/100Mbps（100m），1000Mbps（1G）。

• 接口类型：MII/RMII/GMII（与Mac的通信）。

• 传输距离：千兆以太网支撑最大100米的扭曲的对变速器。

• 特殊功能：一些PHY芯片支持POE（以太网上的功率）。

（ii）网络变压器

• 功能：

• 电隔离：阻止PHY和RJ45之间的直流分量以保护芯片。

• 公共模式干扰的抑制：减少外部电磁干扰（EMI）。

• 阻抗匹配：优化信号传输质量。

（iii）RJ45接口

• 100m（100base - TX）：使用2对（4 -核心）扭曲-对配对电缆（1 - 2，3 - 6对Cat5或更高规格电缆），1对用于发送数据，1对用于接收数据，其余的2对不使用。

• 千兆位（1000base - t）：使用所有4对（8个导体）扭曲-配对电缆（CAT5E或更高）。

3. PCB设计的要点

1. 整体布局

• 使其尽可能接近RJ45，并缩短差距长度。

• 避免以下其他信号线以防止干扰。

（ii）差分线（TX/RX）路由规则

• 相等的长度匹配（需要长度差≤5Mil）。

• 阻抗控制（通常为100Ω差异阻抗）。

• 避免尖锐的角度路由以减少信号反射。

（iii）网络端口和变压器PCB设计的关键点

• 应受电压隔离：网络变压器中间的隔离区域必须足够宽，以确保电压要求。 PHY和RJ45必须在不同的接地平面上，并且禁止平面布局或路由。

• 反-干扰处理：变压器下方的所有层都被挖空，以防止底部的铜箔引入噪声。

• 差分线路路由：优先考虑底层，远离网络端口壳地面层。建议将阻抗以100Ω±10％（不是强制性但建议）控制。

• 套管接地：需要加厚网络端口的金属外壳的接地线，以确保低-阻抗连接。

4. 界面保护设计

• ESD保护设备：用于防止静电放电损坏随后的电路。

• 电涌保护装置：用于防止由雷击和其他因素损坏电路产生的电压电压。

5. 实际应用案例分析

以工业自动化设备为例，其以太网界面设计使用了集成Mac和Phy的SOC芯片，并通过合理的布局和路由来实现稳定且可靠的通信。在实际应用中，该设备可以在复杂的电磁环境中稳定运行，满足以太网通信的工业自动化的高要求。