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资深硬件工程师总结-千兆以太网设计指南

本应用笔记旨在帮助客户使用Microchip的10/100/1000 Mbps以太网器件系列设计PCB。本文档提供有关PCB布线的建 议， PCB 布线是保持信号完整性和减少EMI问题的关键环节。本文涵盖以下主题：
• 通用PCB布线指南
• 以太网布线指南
• EMI注意事项
• ESD注意事项
• 常见布线问题疑难解答

01通用PCB布线指南

电源注意事项：
➤ 确保足够的电源额定值。确认所有电源和稳压器都能提供所需的电流大小。
➤ 电源输出纹波应限制在50 mV以下（为了获得最佳性能，最好小于10 mV）。
➤ 所有电源和地平面上的噪声水平应限制在50 mV以下。
➤ 铁氧体磁珠的额定电流应为预期提供电流的4-6倍。另外，还应考虑因温度产生 的降额。
器件去耦：
➤ PCB装配上的每个高速半导体器件都需要去耦电容。每个电源引脚都需要一个去耦电容。
➤ 去耦电容值取决于应用。典型的去耦电容值范围为0.001 μF至0.1 μF。
➤ 总去耦电容应大于提供给数字输出缓冲器的负载电容，以避免将噪声引入电源。
➤ 通常，选择II类介电电容进行去耦。首选方案是X7R介电陶瓷电容，因为它具有出色的稳定性、合理的封装尺寸以及优异的电容特性。设计人员的第二个选择是X5R介电电容，因为它具有出色的稳定性。但是，X5R在封装尺寸与电容特性方面可能会存在一定的限制。考虑去耦电容特性时，低电感至关重要。
➤ 每个去耦电容都应尽可能靠近要去耦的电源引脚。
➤ 所有去耦电容引线应尽可能短。最佳做法是将电容直接连接到地以及顶层的电源引脚。如果不得不使用过孔，则焊盘到过孔的连接长度应小于10 mil。走线连接应尽可能宽，以降低电感。
➤ 强烈建议考虑通过两个过孔连接所有旁路电容的地，以极大地减小该连接的电感。

PCB旁路：
➤ 旁路电容应放置在靠近PCB上所有电源入口点的位置。这些电容从高速数字负载吸收高频电流。
➤ 设计中的所有电源连接和所有稳压器均应使用旁路电容。
➤ 旁路电容的值取决于应用，由电源的频率以及负载瞬态幅值和频率决定。
➤ 所有旁路电容引线应尽可能短。最佳做法是将电容直接连接到地以及顶层的电源引脚。如果不得不在表面贴装焊盘外使用过孔，则焊盘到过孔的连接长度应小于10 mil。走线连接应尽可能宽，以降低电感。
➤ 强烈建议考虑通过两个过孔连接所有旁路电容的地，以极大地减小该连接的电感。

图1 PCB旁路技术示例
PCB大电容：
➤ 必须适当利用大电容，以将开关噪声降至最低。大电容有助于保持恒定的直流电压和电流大小。
➤ 设计中的所有电源平面和稳压器均应使用大电容。
➤ 旁路电容的值取决于应用，由电源的频率以及负载瞬态幅值和频率决定。
➤ 所有大电容引线应尽可能短。最佳解决方案是在表面贴装焊盘内使用平面连接过孔。在表面贴装焊盘外使用过孔 时，焊盘到过孔的连接长度应小于 10 mil。走线连接应尽可能宽，以降低电感。
➤ 遵循良好的设计原则，只要在电路中使用铁氧体磁珠，就应在铁氧体磁珠的每一侧放置大电容。
➤ 如果在USB连接器上使用铁氧体磁珠来对VCC 进行滤波，则建议不要在USB连接器侧使用大电容。这是限制USB 电路浪涌电流的一种尝试。Microchip 强烈建议在铁氧体磁珠内侧使用4.7 μF的大电容。

PCB层策略：
➤ 所有以太网LAN设计至少使用4层PCB。
➤ 在典型的 PCB 层叠结构中，顶层（元件侧）为信号，第2 层为固定连续地平面，第 3 层为固定电源平面，第4 层为 另一个信号。第 1 层被视为主要的关键布线和元件层，因为其正下方是固定数字地平面。另外，第 1 层不需要通过 过孔来连接位于第 1层的元件。
➤ 所有PCB走线（尤其是高速和关键信号走线）应在固定连续地平面层相邻的第 1层上布线。这些走线必须具有连续 的参考平面，才能满足其整个传导长度的要求。应避免信号走线穿过平面分割处（图2），因为这会导致不可预测 的返回路径电流， 并且可能引起信号完整性问题以及产生EMI问题。如果不得不穿过参考平面中的分割处，请考虑 添加拼接电容。
➤ 需要将以太网机架地平面与数字地平面分离。
➤ 避免在PCB设计和系统设计中形成接地回路。
➤ 为了便于布线并最大程度减少信号串扰问题，多层设计中的相邻层应以正交方式布线。

图2 信号穿过平面分割处的示例

推荐的层叠布局

• 四层板

• 信号 1 （顶层）
• GND
• 电源平面/GND
• 信号2

• 六层板

• 信号 1 （顶层）
• 电源平面/GND
• 信号2（最适合时钟和高速信号）
• 信号3（最适合时钟和高速信号）
• GND
• 信号4

信号完整性问题：
➤ 根据需要为所有高速开关信号和时钟线提供交流端接。在走线的负载端进行上述端接。随着PCB上走线长度的增加，这一设计问题变得更加关键。
➤ 提供阻抗匹配的串联端接，以最大程度地减小关键信号（地址、数据和控制线）中的振铃、过冲和下冲。这些串联端接应位于走线的驱动器端，而不是走线的负载端。随着PCB上走线长度的增加，这一设计问题变得更加关键。
➤ 尽量减少在整个设计中使用过孔。过孔会增加信号走线的电感。
➤ 请务必查看整个PCB设计，了解是否有走线在任何参考平面切口上方穿过。这很有可能会引起EMC问题。
➤ 通常，应查看所有信号串扰设计规则以避免串扰问题。确保走线间有足够的间隔，以避免串扰问题。
➤ 也可使用保护走线来最大程度地减少串扰问题。
PCB走线注意事项：
➤ 避免在高速数据走线中使用90度角。这类角度会影响走线宽度和快速信号的阻抗控制。
➤ 要使 PCB 走线能够提供所需电流量，应为其设计合理的宽度。在顶层或底层的局部区域中使用迷你平面，这样可确保提供足够的电流。
➤ 连接任何电源平面或地平面的所有元件引线应尽可能短。最佳解决方案是在表面贴装焊盘内使用平面连接过孔。在表面贴装焊盘外使用过孔时，焊盘到过孔的连接长度应小于10 mil。走线连接应尽可能宽，以降低电感。这包括为电源层供电的任何铁氧体磁珠以及为电源层供电的熔丝等 。
晶振电路：
➤ 将所有晶振电路元件置于顶层。这将使所有这些元件及其走线以同一数字地平面为参考。
➤ 尽可能将所有晶振元件和走线与其他信号隔离。晶振对杂散电容和其他信号的噪声敏感。晶振还可能干扰其他信号并引起EMI噪声。
➤ 负载电容、晶振和并联电阻应靠近彼此放置。负载电容的接地连接应较短，并远离USB和VBUS电源线的返回电流。负载电容的返回路径应连接到数字逻辑电源的地平面。
➤ 从以太网器件到晶振、电阻和电容的PCB走线应在长度上匹配，彼此应尽可能靠近，同时保持最短的路径。长度匹配的优先级应高于最短的路径长度。
➤ 验证晶振电路在应用的整个工作范围内工作时是否符合规范（+/-50 PPM）。这包括温度、时间和应用容差。
接地标志（外露焊盘）中的过孔：

➤ 在GND标志上打满过孔，以确保到地平面的热连接和电气连接良好。地平面应为1 oz或更高值，以确保器件具有固定的GND参考。这将有助于降低GND噪声并为器件提供理想的散热效果。图3给出了标志焊盘中的接地过孔区示例。

图3 标志焊盘中的接地过孔区示例

02标志焊盘中的接地过孔区示例

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。

图4 芯片到磁件差分对布线示例

图5 磁件到RJ45差分对布线示例
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。
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。

03EMI注意事项

PCB EMI设计指南：
➤ 在原理图和PCB设计周期中都必须考虑如何实现EMC设计。
➤ 最好从产生EMC的根源解决EMC 问题。
标识关键电路：
➤ 发射—— 时钟、总线和其他重复电路。
•如果使用晶振，则确保热引线尽可能短且匹配。
•向时钟振荡器添加较小的阻尼电阻或铁氧体。
•控制时钟布线
•当心有噪声的振荡器模块。
•如有可能，应避免使用振荡器。振荡器会增加EMI、功耗和抖动。
•如有可能，应使用晶振。
➤ 抗扰度—— 复位、中断和关键控制线。
•向电路输入端添加高频滤波器。
•控制走线布线。
•不要使高速信号走线穿过任何平面分割处。
谨慎选择需要考虑EMI的器件：
➤ 越慢越好—— 上升时间和时钟。
➤ 对于信号和电源，使用高速CMOS时需要小心。
电路板设计：
➤ 多层板在发射和抗扰度方面的性能要出色得多。
➤ 不要在电源和地平面中嵌入走线。
密切注意电源去耦：
➤ 用高频电容为每个器件去耦。
➤ 使用高频电容旁路电路板的每个电源输入。
➤ 电容引线应尽可能短。
➤ 为了在超高速设计中改善噪声和EMI，可以组合使用 0.1 μF、0.01 μF和容值更低的电容。
I/O电路注意事项：
➤ 信号、电源和地是通过I/O的三个EMI路径。
➤ 向所有I/O线路添加高频滤波器，即使是慢速线路也是如此。
➤ 正确实现I/O平面的隔离。

04ESD注意事项

➤ RJ45 连接器必须具有金属屏蔽层，以确保最高的ESD性能。
➤ RJ45 连接器的金属屏蔽层必须直接连接到系统机架地平面的两个点。
➤ 必须在磁件到RJ45 连接器的中间区域清除所有电源平面和非以太网走线。间隔至少应保持0.250 英寸。
➤ N/S和E/W磁件的固定方式不同；因此，磁件的选择和位置对于ESD 性能至关重要。
➤ 正确布局高压势垒。
➤ 选择带有机架接地片的特定RJ45 连接器，并将它安装在远离8引脚连接的位置，这已被证实是ESD的最佳配置。
➤ RJ45 连接器相对于其他连接器和整个PCB的位置对于整体ESD性能非常重要。
➤ 确保与高压势垒区域相关和位于其中的所有电路仅以机架地为参考。高压势垒区域中的LED、电容和反并联二极管 如果以数字地为参考，会对高压势垒带来不利影响（见图6）。
➤ 电源电压线应与其返回线紧密缠绕在一起。
➤ PCB的所有电源入口都必须正确旁路，尽可能靠近PCB上的电源连接器。
➤ 接地连接应远离敏感电路。这种策略将迫使ESD流远离敏感电路，并将其引向地。
➤ 整个设计中的所有信号走线均应保持最短。考虑向长度超过 12英寸的信号线添加数字地“保护走线”。
➤ 如果允许 ESD 进入数字地平面，则可能导致数字接地层发生“接地反弹”。这可能导致意外的系统行为和/ 或系统 故障。应尽一切努力确保不允许任何ESD源进入PCB上的任何数字地或电源平面。

图6 高压势垒—— 延伸到磁件的中间位置