网络接口布线设计案例

01概述

在嵌入式工控系统中，常用的是10Mbps/100Mbps网络接口。但是由于CPU快速的发展，1000Mbps网络也开始在嵌入式系统中使用。

它们的通讯频率都是100BASE-TX标准：125MHz。英创公司的ESM6802嵌入式主板，可以提供1000Mbps网络接口，符合1000BASE-T（IEEE802.3ab）标准。

对于10Mbps/100Mbps兼容网络，有2对差分信号线，TX（TX+、TX-）和RX（RX+、RX-），信号TX与RX是相互独立的信号线。

对于英创公司提供的1000Mbps网络，可以向下兼容10Mbps/100Mbps网络，使用4对差分信号线，数据传输时，会使用全部4对差分信号线。所以对于PCB走线，要求更高。

然而不少的客户在对以太网端口进行布线设计时，并没有按照以太网信号的差分、阻抗要求进行设计，或者没有考虑网络端口的ESD相关问题，最终导致一部份设备会出现无法预期的异常，或出现损坏率很高的情况。

这篇文章会基于英创公司的嵌入式工控主板接口，简单描述网络接口设计时需要注意的地方，以提高产品的稳定与可靠性。

02网络信号走线要求

同于网络通讯常用的UTP CAT5e网线，在1Mhz-100Mhz频率下，为100欧阻抗，所以为了得到更好的信号传输特性，PCB板上的每对差分信号线也需要设计/生产为100欧阻抗。

例如，在ESMARC EVB V5.0中，每对网络差分信号线的线宽为7mil，线距为8mil，在PCB加工生产说明文档/邮件中，就提出阻抗要求：(线宽-线距-线宽)7mil-8mil-7mil，阻抗100欧。

一般情况下，PCB厂家会根据你的要求，重新调整铜皮，使信号线的阻抗在要求值的+/-10以内，即可满足要求。

为了保证高频差分信号线上的信号相位差足够小，需要尽可能保证每一对差分信号线长一致，或控制最大线差长度。对于网络通讯信号线，将信号线最大长度差控制在+/-25mil以内即可。

对于10Mbps/100Mbps网络，它的TX、RX通讯线是相对独立的，所以可以分别控制它TX、RX差分线长度。

对于1000Mbps网络，它的4对差分信号需要同时进行数据传输，所以对于1000Mbps网络接口的布线，不仅需要对每一对差分线的线长差进行控制，同时也要控制这4对差分线之间的线长差。

每一对差分信号线的线距，要大于/等于每条信号线的线宽，以满足电路板的EMI要求。如ESMARC EVB V5.0中，网络信号线的线宽为7mil，差分线的线距为8mil。

以下，以ESMARC EVB V5.0评估底板为例，举例说明。

图 1

图 2

图1是CN8-1 1000Mbps网络接口PCB走线，图2是CN8-2 10Mbps/1000Mbps网络接口PCB走线。从图上可以明显地知道，每一对差分信号线均严格按差分走线要求进行PCB走线。

图 3

图3是1000Mbps网络接口（CN8-1 ）走线长度参数值。该参数可以从EDA工具中查找到。

上图中的NET1_TX是1000M_D0，NET1_RX是1000M_D1，再加上通过信号跳线电阻后的1000M_D2、1000M_D3，共同组成1000Mbps网络接口的4对差分信号线。

在PCB设计走线时，1000M_D2、1000M_D3差分信号线与主板信号插针之间设计了跳线电阻，这之间还有约400mil的信号线长度，所以这4对差分信号线长度相差比较小，基本上能满足1000Mbps环境下的通讯要求。

图 4

图4是10Mbps/100Mbps网络接口（CN8-2）走线长度参数值。从参数上可以看到，对于100Mbps网络接口，TX与RX这两对差分信号线长度是独立地、各自控制线长。

图 5

在图5中所表示的，是100M_NET2_RX这对差分信号线，它的两条信号线（100M_TPRX2+、100M_TPRX2-）长度差约为20mil，满足网络通讯的差分走线设计要求。

除了按照差分要求走线、以及PCB线长控制以外，还需要注意，信号线从端口出线后，要尽可能早地让两条信号线进行等长处理。如下图所示：

图6

图7

图6中，差分信号线的出线是对称的，所以出线后，直接按照差分走线即可。在图7中，由于差分信号线出线是不对称的，所以出线后，要尽可能早地先进行信号线等长处理，然后再按照正常差分信号线进行走线。

03网络端口的ESD保护

由于网络应用的特殊性，网络端口是很容易受外界信号的干扰，所以系统的网络信号必须通过1:1的网络变压器以后，才能再接入到RJ45插座上。

如英创公司使用的一体化10Mbps/100Mbps网络接口HR871181A，1000Mbps网络接口HR851178C，内部均有1:1网络隔离变压器与共模电感线圈（如图8所示）。

这样可以有效地阻止通讯线上的共模干扰信号，同时也可以防止直流干扰信号对系统网络驱动器的损坏。

图8HR871181A内部原理图

另外，为了更进一步提高网络端口的ESD特性，可以配合设计专用的ESD保护器件，且在PCB设计时，ESD保护器件要尽可能靠近RJ45网络端口的引脚焊盘。如下图所示：

图9

图10

图9所示，为网络端口专用ESD保护器件在PCB板上，靠近RJ45网络端口引线。图10所示为ESMARC EVB电路中，针对网络端口设计的ESD保护器件。

最后，对于有金属外壳的RJ45网络插座，建议将金属外壳连接到设备安装现场的可靠安全接地点上。

如果无法保证现场的安全接地的可靠性，建议将RJ45的金属外壳通过一颗高压电容（如：102M/1KV）与板子的地平面相连接，如ESMARC EVB的处理方式。