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千兆以太网:符合EMC标准的实现

2024-02-11 09:00:00 Heinz Zenkner博士 阅读:
无论是在办公室还是在工厂,千兆以太网都是首选的网络标准。Würth Elektronik的两款新千兆以太网参考设计提供了如何从RF和EMC角度应对挑战的实例。

在过去的几十年里,以太网已成为全球卓越的网络标准,从家庭到办公室,从生产车间到汽车。目前,千兆以太网是最先进的技术,因此,可联网电子设备的开发人员必须要采用1Gbps以太网接口。现在,电路设计人员可以通过伍尔特电子集团(Würth Elektronik)提供的两个版本的千兆以太网参考设计,获得优化的电路设计和布局,包括所有技术数据。这有助于在目标应用中实现可靠的千兆以太网接口。VdBednc

RD016参考设计包括两种接口:USB Type-C(USB 3.1)和1Gbps RJ45/以太网接口1。该千兆以太网USB转接板是基于Microchip评估板EVB-LAN7800LC开发的。该电路建在一块四层印刷电路板上,在本设计中通过USB接口供电。本文的第一部分介绍了理解参考设计所需的技术基础知识。第二部分详细介绍了1Gbps以太网接口直到物理(PHY)层。电磁兼容性(EMC)技术方面的内容详见应用笔记ANP1162VdBednc

以太网基础知识

以太网最初通过同轴电缆以10Mbps的速度在全球传播,后来又通过非屏蔽双绞线(UTP)电缆以10BASE-T的速度传播。目前有100BASE-TX(快速以太网,100Mbps)、千兆以太网(1Gbps)、万兆以太网(10Gbps)和十万兆以太网(100Gbps)。在大多数情况下,千兆以太网可以与常规以太网电缆配合使用,特别是5e类、6类和6a类布线标准。这些电缆类型遵循1000BASE-T布线标准,也称为IEEE 802.3ab。VdBednc

由于网络协议开销、传输路径冲突导致的重传以及偶发的数据误差等因素,正常情况下的最大可用数据速率为900Mbps。平均连接速度因个人电脑(PC)的硬件结构、路由器上的客户端数量以及以太网布线的“质量”而异。VdBednc

1Gbps以太网接口按照IEEE 802.3ab-1999(CL40)标准运行,需要四个线对通道进行信号传输。因此,符号率为125兆波特(MBd),每通道带宽为62.5MHz(每个符号2个比特)。VdBednc

千兆以太网协议具有一些特殊功能。1000BASE-T(千兆以太网)PHY执行一种称为自动协商的链路配置协议。8位数据字节转换为10位代码组。8b/10b代码非常鲁棒,具有转换密度高、游程长度受限、直流补偿和故障鲁棒性等有用特性。帧中的所有单比特、双比特和三比特误差都能以100%的可靠性检测出来。在100Ω负载时,1000BASE-T的信号电压平均值为750mV(差分),极限值为670mV(下限)和820mV(上限)。VdBednc

接口结构及所需硬件

RJ45接口设计用于全双工传输,即同时传输发送和接收数据。之所以能做到这一点,是因为连接器由四对导线组成,其中总有一对导线用于一个方向(差分电压原理)。原则上,UTP的阻抗为100Ω,屏蔽双绞线(STP)的阻抗为150Ω(1000BASE-T:IEEE 802.3,如第39节)。对于品牌电缆,5e类、6类和6a类有屏蔽和非屏蔽两种,而7类和7a类始终是屏蔽的。对于每个RJ45连接,IEEE标准都要求通过变压器进行电气隔离。该变压器可保护设备免受线路高压造成的损坏,并防止设备之间的电位差导致电压偏移。图1显示了该接口的主要电路。VdBednc

以太网信号从RJ45接口传入,然后通过共模扼流圈到达变压器。图1仅显示了四个通道中的一个。变压器有一个中心抽头,从信号工程的角度看,它代表零电位。不平衡会在中心抽头以电压形式表现出来,并通过75Ω电阻器接地,然后通过电容器进行直流去耦。变压器的变压比为1:1。在次级侧,以太网信号通过四个通道到达PHY。这里的阻抗也是100Ω差分,或50Ω各自接地(GND)。变压器的中心抽头通过电容器在次级侧进行交流接地。VdBednc

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图1:1Gbps以太网接口的电路原理图。图中仅显示了四个通道中的一个。VdBednc

千兆以太网转接板

该千兆以太网USB转接板有两个版本。VdBednc

V1.0版在以太网接口区域包含分立元器件。也就是说,匹配网络和电感器块(由共模扼流圈和变压器组成)是以单独元器件的形式放置在PCB上的(图2)。VdBednc

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图2:V1.0分立版千兆以太网USB转接板。带有变压器和共模扼流圈的模块放置在RJ45插孔旁边。VdBednc

在V2.0版中,将上述元器件集成到了RJ45插座的外壳中(图3)。VdBednc

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图3:V2.0分立版千兆以太网USB转接板。带有变压器和共模扼流圈的模块集成在RJ45插座中。VdBednc

方框图

USB 3.1千兆以太网控制器LAN7800作为网桥连接USB接口和以太网接口(图4)。因此,接口布线只需实现信令适配和去耦即可。在USB端,DC/DC转换器用于产生LAN7800所需的3.3V电源电压。LAN7800需要额外的4kb E2PROM来存储固件。VdBednc

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图4:两个版本中使用的千兆以太网USB转接板的方框图。VdBednc

电路元器件

这里只涉及控制器、电源和USB 3.1接口,因为本文的重点是1Gbps以太网接口。VdBednc

  • 控制器:LAN7800是一款高性能USB 3.1至1Gbps以太网控制器,集成了以太网PHY,并为板载软件增加了一个外部4kb E2PROM。
  • 电源(5V至3.3V):控制器需要3.3V的电源电压,由线性稳压器TLV757P产生。低压差(LDO)稳压器将电压从5.0V降至3.3V。10μF输入和输出电解电容器可确保稳定运行,100nF X7R电容器可降低输出端的高频噪声。
  • USB 3.1接口:USB接口的数据线配有共模扼流圈以防止无线电干扰,并配有瞬态电压抑制(TVS)二极管阵列以防止瞬态过压。
  • 以太网接口:以太网变压器(LAN变压器)是设备与以太网电缆之间的接口。变压器在设备和电缆之间提供安全相关的电气隔离。同时,它还一方面为内部逻辑提供阻抗匹配,另一方面为以太网电缆的对称线对提供阻抗匹配。此外,变压器还可以保护设备免受瞬态干扰,抑制收发器IC和电缆之间的共模信号(包括从设备到外部以及从外部电缆到设备内电子元器件的共模信号)。然而,LAN变压器还必须在不显著衰减发送和接收信号的情况下,以高达1Gbps的宽带速率传输数据。为了满足匹配和EMC要求,需要额外的元器件。建立接口有两种方法:
  • 使用集成了以太网插座、变压器和“Bob Smith”终端的现成模块。这就是V2.0版本所用的方法。
  • 采用分立技术的设置,也就是这里的V1.0版本。所有元器件都需要相互配合,但这种解决方案提供了更大的自由度。元器件的选择、排列和布局都由开发人员决定。虽然需要更多的设计工作,但分立版本的成本更低,而且对于特殊要求,可实现高达6kV的隔离电压。

由于两个版本的千兆以太网接口在功能上没有区别,因此下文将使用带有分立元器件的V1.0版本对千兆以太网接口的电路进行说明。VdBednc

千兆以太网前端

图5中的LAN变压器X3在电子设备和网络电缆之间提供直流隔离。变压器初级侧和次级侧之间的测试电压为1,500VRMSVdBednc

初级侧绕组的中心抽头(即以太网端口)采用上述Bob Smith终端。每对电线都连接一个75Ω电阻,形成“星点”;然后,整个电路都被电气隔离,并通过两个并联的100pF电容器连接到外壳地。在文献中,我们经常可以看到容量高达2nF的电容器,相对于频率范围来说,这是一个相对较高的值。电容器的介电强度应至少为2kV。VdBednc

Bob Smith终端用于减少共模电流造成的干扰,并降低对RJ45连接器上未使用线对的干扰的敏感性。VdBednc

Bob Smith终端的参考阻抗约为每个线对145Ω。考虑到市场上有许多不同类型的电缆,各种电缆的基本阻抗存在差异,而且电缆因扭曲而在整个长度上的阻抗并不恒定,因此还采用了共模扼流圈(图5)。VdBednc

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图5:用于PHY和以太网之间电气隔离的WE-LAN AQ变压器。VdBednc

因此,模块X3中每个通道都连接了一个变压器和一个共模扼流圈。尽管这些扼流圈无法纠正阻抗匹配的偏差,但却能显著改善EMC行为。此外,参考文献中还详细介绍了关于无源元件和TVS二极管的电路以及PCB布局1VdBednc

参考文献

1Reference Design RD016: Gigabit Ethernet Front End.VdBednc

2Application Note ANP116: Gigabit Ethernet Interface from an EMC perspective.VdBednc

(原文刊登于EDN姊妹网站EE Times欧洲版,参考链接:Gigabit Ethernet: EMC-Compliant Implementation,由Franklin Zhao编译。)VdBednc

本文为《电子技术设计》2024年3月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里VdBednc

责编:Franklin
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