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

审核编辑：汤梓红