以太网PCB设计指导

我们现今使用的网络接口均为以太网接口，目前大部分处理器都支持以太网口。目前以太网按照速率主要包括10M、10/100M、1000M三种接口，10M应用已经很少，基本为10/100M所代替。目前我司产品的以太网接口类型主要采用双绞线的RJ45接口，且基本应用于工控领域，因工控领域的特殊性，所以我们对以太网的器件选型以及PCB设计相当考究。从硬件的角度看，以太网接口电路主要由MAC（Media Acc）

下图 1以太网的典型应用。我们的PCB设计基本是按照这个框图来布局布线，下面我们就以这个框图详解以太网有关的布局布线要点。

图 1 以太网典型应用

1.图 2网口变压器没有集成在网口连接器里的参考电路PCB布局、布线图，下面就以图 2介绍以太网电路的布局、布线需注意的要点。

图2变压器没有集成在网口连接器的电路PCB布局、布线参考

a) RJ45和变压器之间的距离尽可能的短，晶振远离接口、PCB边缘和其他的高频设备、走线或磁性元件周围，PHY层芯片和变压器之间的距离尽可能短，但有时为了顾全整体布局，这一点可能比较难满足，但他们之间的距离最大约10~12cm，器件布局的原则是通常按照信号流向放置，切不可绕来绕去；

b) PHY层芯片的电源滤波按照要芯片要求设计，通常每个电源端都需放置一个退耦电容，他们可以为信号提供一个低阻抗通路，减小电源和地平面间的谐振，为了让电容起到去耦和旁路的作用，故要保证退耦和旁路电容由电容、走线、过孔、焊盘组成的环路面积尽量小，保证引线电感尽量小；

c) 网口变压器PHY层芯片侧中心抽头对地的滤波电容要尽量靠近变压器管脚，保证引线最短，分布电感最小；

d) 网口变压器接口侧的共模电阻和高压电容靠近中心抽头放置，走线短而粗（≥15mil）；

e) 变压器的两边需要割地：即RJ45连接座和变压器的次级线圈用单独的隔离地，隔离区域100mil以上，且在这个隔离区域下没有电源和地层存在。这样做分割处理，就是为了达到初、次级的隔离，控制源端的干扰通过参考平面耦合到次级；

f) 指示灯的电源线和驱动信号线相邻走线，尽量减小环路面积。指示灯和差分线要进行必要的隔离，两者要保证足够的距离，如有空间可用GND隔开；

g) 用于连接GND和PGND的电阻及电容需放置地分割区域。

2: 以太网的信号线是以差分对（Rx±、Tx±）的形式存在，差分线具有很强共模抑制能力，抗干扰能力强，但是如果布线不当，将会带来严重的信号完整性问题。下面我们来一一介绍差分线的处理要点：

a) 优先绘制Rx±、Tx±差分对，尽量保持差分对平行、等长、短距，避免过孔、交叉。由于管脚分布、过孔、以及走线空间等因素存在使得差分线长易不匹配，时序会发生偏移，还会引入共模干扰，降低信号质量。所以，相应的要对差分对不匹配的情况作出补偿，使其线长匹配，长度差通常控制在5mil以内，补偿原则是哪里出现长度差补偿哪里；

b)当速度要求高时需对Rx±、Tx±差分对进行阻抗控制，通常阻抗控制在100Ω±10%；

c)差分信号终端电阻（49.9Ω，有的PHY层芯片可能没有）必须靠近PHY层芯片的Rx±、Tx±管脚放置，这样能更好的消除通信电缆中的信号反射；

d)差分线对上的滤波电容必须对称放置，否则差模可能转成共模，带来共模噪声，且其走线时不能有stub ，这样才能对高频噪声有良好的抑制能力。

3.变压器集成在连接器的以太网电路的PCB布局、布线较不集成的相对简单很多，下图 3是采用一体化连接器的网口电路的PCB布局、布线参考图：

从上图可以看出，图 3和图 1的不同之处在于少了网口变压器，其它大体相同。不同之处主要体现在网口变压器已集成至连接器里，所以地平面无需进行分割处理，但我们依然需要将一体化连机器的外壳连接到连续的地平面上。

1.使磁性模块和RJ-45插孔之间的走线尽可能短 - 它们的长度应小于25 mm（1英寸），并且它们的阻抗应保持在50 Q以下。不允许任何过孔或层更换.A将RJ-45插孔与磁性模块集成的模块是首选。

2.Tx + / Tx-和Rx + / Rx-走线应始终尽可能短（小于25 mm或1“）。如果绝对需要更长的走线，则最大长度限制为75 mm（3”）。 Tx + / Tx-和Rx + / Rx-的单个跟踪阻抗必须保持在50Ω以下，并且该对的差分特征阻抗必须为100Ω

3.将每个Tx + / Tx-和Rx + / Rx-对布线在一起，使用0.25 mm（0.01“）走线将它们的间距保持在0.25 mm（0.01”）以下。保持Tx + / Tx-和Rx + / Rx-走线长度尽可能相等。

4.Tx + / Tx-与Rx + / Rx-差分对之间的间距必须至少为0.5 mm（0.02“）。最好将它们与地平面分开。**

5.避免使用任何车外电线组件。如果需要电线组件，请使用双绞线连接Tx + / Tx-和Rx + / Rx-，并保持其长度尽可能短，不超过75 mm（3“）。

6.网口的差分尽量走表底层，差分对之间的间距至少4W以上，由于管脚分布、过孔、以及走线空间等因素存在，使得差分线长度不匹配，时序会发生偏移，还会引入共模干扰，降低信号质量，因此差分对内的等长约束为5mil，差分对之间不用进行等长，等长时注意符合差分等长规则，

1. 原理图设计

首先是网络变压器和RJ45接口器件的选型，集成网络变压器的RJ45接口器件可以降低设计复杂度、节省板面积，目前应用越来越广泛。若应用环境对网络电气特性或可靠性要求特别高时，建议优先选择分体方案。原理图设计的要点包括以下几个方面：

防雷管应尽量靠近RJ45接口，放置于RJ45与网络变压器之间，可以更好起到防雷作用；
单独的TVS管一般不能完成防雷工作，其一般放置在防雷管与网络变压器之间，主要是抑制差模干扰；
根据经验，在防雷管与TVS之间放置2欧姆电阻可进一步抑制干扰；TVS与PHY之间的网络变压器进一步抑制共模信号干扰。
网络变压器与PHY之间差分信号需放置一颗终端电阻（49.9Ω），其作用是阻抗匹配，消除通讯电缆中的信号反射。
RJ45与网络变压器次级之间收发差分线连接，须是变压器的发射端连接RJ45的接收端，变压器的接收端连接RJ45的发射端，如下图：

图1 RJ45与网络变压器次级之间收发差分线连接图

网络变压器初级和次级需要隔离，不能共一个地。隔离可以有效防止控制源端的干扰通过参考平面耦合到次级，也为后续PCB设计提供不同参考平面。

2. PCB设计

以太网属于高速信号，其稳定性与PCB设计密切相关，以下为PCB设计中的几个要点。

器件布局的原则是按照信号流向放置，应尽量缩短防雷管与RJ45之间的距离；
网络变压器与RJ45之间走线应尽量短，高速差分线严格按照等长处理，误差通常控制在5mil(0.125mm)，阻抗控制在100Ω±10%；
次级参考平面与初级参考平面隔离，隔离带宽度80-100mil，隔离带内应保证没有电源和地层存在；
次级参考平面铺设仅限于网络变压器与防雷管之间，防雷管与RJ45之间的信号线不需要铺参考平面，防止干扰通过参考平面耦合至次级；
网络变压器与PHY芯片之间的高速信号走线尽量短，最大长度480mil，差分信号终端电阻（49.9Ω）须靠近PHY芯片的TX±、RX±管脚放置，消除通信电缆中的信号反射。电阻接电源还是通过电容接地，一般由PHY芯片决定，PHY到网络变压器部分PCB设计如下图所示：

图4 PHY到网络变压器部分PCB典型设计参考

以太网差分对：

每个TRxP/TRxN信号组都应作为差分对布线。这包括从RJ45 连接器到LAN器件的整段走线。
单个差分对应尽可能靠近布线。通常，在开始计算阻抗时，选择最小的走线间距（4-5 mil）。然后调整走线宽度以获得必要的阻抗。
差分对应构造为 100Ω受控阻抗对。
差分对应远离所有其他走线布线。尝试使所有其他高速走线与以太网前端保持至少0.300英寸的距离。
确保器件与RJ45 之间的对内和对间偏移分别小于50 mil和600 mil。
差分对的长度应尽可能短。
尽可能不要过孔。如果使用过孔，请保持最小值并始终匹配过孔，以便平衡差分对。
最大程度减少层变化。尽可能使差分对以相同的电源/地平面为参考。
通常，将千兆位以太网的四个差分对连接到RJ45连接器时，至少有一对需要通过过孔连接到相对的外部层。在这种情况下，必须确保电路板另一侧（通常是第4层）上的布线经过对地阻抗较低的连续参考平面。切勿越过平面边界布线。
为获得最佳抗扰度，布线时尽可能使每个差分对互相远离。
端接应始终使用与差分布线相同的参考平面。
应先对差分对进行布线。确定布线后再添加端接。只需将端接“放在”差分布线上即可。
以太网前端的所有电阻端接应具有 1.0%容差值。
以太网前端的所有电容端接都应具有严格的容差和高质量的电介质。
为了实现最佳分离效果，可以通过在差分对之间插入地平面孤岛来进行实验。应使该地平面与任何走线的间距保持为电解质距离（PCB内铜层的间距）的3至5倍。
如果存在端口串扰问题，则可以使用上文所述的相同分离技术来分离不同的以太网端口。可以在以太网通道之间插入地平面。应使该地平面与任何走线的间距保持为电解质距离的3至5倍。

RJ45连接器：

磁件能够隔离本地电路和以太网信号连接的其他设备。IEEE 隔离测试在隔离侧施加压力，以测试隔离的介电强度。隔离绕组的中心抽头有一个“Bob Smith”端接，通过75Ω电阻和 1000 pF电容连接到机架地。端接电容应具有3 kV的电压容差。

要通过EMI兼容性测试，可参考以下实用建议：

建议将RJ45 连接器的金属屏蔽层连接到机架地以减少EMI发射。
为了进一步减少EMI 问题，可以在适当平面之间放置带状线来代替外层的微带线。请注意，将带状线直接放在彼此的顶部可能会导致通道之间出现电容耦合。不过，对于差分对，这种耦合可能是有益的。
最好不要使电路地平面与形成耦合的机架地重叠，而应使机架地成为一个隔离孤岛，并在机架地和电路地之间留出空隙。在机架地和电路地空隙上放置两到三个1206焊盘。这样就能通过实验选择合适的感性、容性或阻性元件，以通过EMI发射测试。1206焊盘的位置应尽可能靠近电路板上的电源入口，以使两个地之间的电流远离任何敏感电路。
为了最大程度提高ESD 性能，设计人员应考虑选择不带LED 的RJ45 模块。这将简化布线并允许以太网前端中具有更大的间隔，以改善ESD/敏感性性能。
此外，还可通过使用表面贴装触点 RJ45 连接器来提高 ESD 性能。这可以简化布线并允许以太网前端中具有更大的间隔，以改善ESD敏感性性能。
分立和嵌入式RJ45 和磁件模块的元件放置：
以太网器件与磁件之间的距离应小于 1英寸。如果无法实现，则最大值不得超过3英寸。
磁件与RJ45 之间的距离应小于 1英寸。
从以太网器件到RJ-45 连接器测得的差分对的总长度应小于4英寸(100mm)。

磁件：

以太网的磁件可以是集成的，也可以是分立的。建议使用分立模块以更好地控制EMI。
为了最大程度地提高ESD性能，设计人员应考虑选择分立变压器，而不是集成磁件/RJ45模块。这可以简化布线并允许以太网前端中具有更大的间隔，以改善ESD/敏感性性能。
使用分立磁件时，务必使用端接：四个 75Ω 端接用于线缆侧中心抽头，未使用的引脚连接到 EFT（电快速瞬变）电容。
使用连接到地平面的EFT电容以及75Ω端接。建议值为 1500 pF/2 KV或 1000 pF/3 KV。电容与走线和元件的间距至少应保持50 mil。
实现地分割以进行高压安装（不需要集成磁件）。通常，在 PCB 上磁件到 RJ45 连接器的中间区域清除所有平面。TRxP/TRxN对应是这一清除区域中仅有的走线，从而形成LAN应用所需的高压势垒的一部分。
阻抗不连续会导致意外的信号反射。最大程度减少过孔（信号通孔）和其他不规则传输线的数量。如果必须使用过孔，合理的做法是每段差分走线经过两个过孔。

ETHRBIAS/ISET：

ETHRBIAS/ISET电阻设置内部参考电流源。因此，ETHRBIAS/ISET引脚是一个高阻抗节点，在ETHRBIAS/ISET走线上产生的任何噪声都会直接影响内部参考电流，从而对眼图质量造成负面影响。ETHRBIAS/ISET 电阻应放置在靠近 ETHRBIAS/ISET引脚的位置，并且接地回路应尽可能短且直接连接地平面。电阻走线应非常短，并与附近的走线隔离。

以下内容来源：https://www.witimes.net/rj45-transformer-layout-rules/

我们知道，以太网PHY需要通过以太网变压器，RJ45接口与外部设备进行连接，PHY与以太网变压器之间的接口称为MDI接口，也就是介质相关接口（这与MII是相对的）。百兆以太网模式下，MDI是2对差分线，千兆模式下是4对差分线。在部分PHY芯片的Datasheet或者应用手册中会给出MII/RMM/GMII/RGMII接口，MDI接口的等长规则，但是很少有厂家提到以太网变压器与RJ45之间的差分对等长规则。

在早期的产品设计中，无需特殊关照，RJ45与以太网变压器之间的差分对长度彼此相差不多，但是在近期的几款产品设计中，需要进行以太网防浪涌设计，导致差分对长度相差很多。由于对这部分等长规则不确定，也没有相应的资料可供参考，本人尝试过等长与不等长两种情况。

1）RJ45--以太网变压器差分对等长

下图中的PCb走线，如果左侧的差分对不进行蛇形走线，那么这两条差分线长度会相差很多。于是，为了不出问题，本人故意使两对差分线长度一致。细心的读者可能已经发现了，走线上出现了过孔，这是千兆以太网PCB走线的大忌之一，但是面对贴装的RJ45接口，就只能这样了。

2）RJ45--以太网变压器差分对不等长

再看下面的这张图，很容易看出，以太网变压器与RJ45之间的4对差分线一定不等长，当然，差分对内的两条线还是做了等长处理。

以上的两个案例都是本人亲自设计的，使用iperf进行以太网吞吐量测试（我没有条件使用SmartBits），结果如下：

Item	CPU内核	CPU占用率	吞吐量
等长	MIPS 74Kc	99%	340Mbps
不等长	PowerPC e500	36.5%	940Mbps

可想而知，如果不是受到CPU处理能力的影响，RJ45--以太网变压器之间的差分对等长与否不影响实际的吞吐量。当然，从这个表格中，可以明显看出PowerPC超强的网络处理能力，36.5%的CPU占用率只用到了一个核，另外一个核完全空闲。

今天在论坛上看了一下，比较靠谱的说法是这样的：

这4对MDI信号不需要做等长处理。为保险起见需要确认你的PHY是否具有差分对之间数据的自动对齐功能，以及PHY的FIFO有多深。

现在基本上可以确定，RJ45与以太网变压器之间的差分对不需要做等长处理。

目录

1. 原理图设计

2. PCB设计