DP83640：工业以太网PHY的卓越之选

引言

在工业以太网领域，精确的时钟同步和高效的数据传输至关重要。DP83640作为一款高性能的Precision PHYTER™，为实时工业连接提供了卓越的解决方案。它不仅支持IEEE 1588标准，还具备多种先进特性，能够满足各种复杂工业应用的需求。今天，我们就来深入了解一下这款强大的设备。

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一、设备概述

1.1 特性亮点

DP83640的特性十分丰富，为其在工业以太网中的应用奠定了坚实基础。

• 时钟同步：支持IEEE 1588 V1和V2，能够实现高精度的时钟同步。其8 ns的时间戳分辨率可实现亚10 ns的主参考同步，这对于对时间精度要求极高的工业应用来说至关重要。
• 通信协议：支持UDP/IPv4、UDP/IPv6和Layer2以太网数据包，具有广泛的兼容性。
• 低延迟：具备确定性、低的发送和接收延迟，能够确保数据的实时传输。
• 诊断功能：拥有动态链路质量监测、基于TDR的电缆诊断和电缆长度检测等功能，可帮助工程师及时发现和解决潜在问题。
• 接口多样：提供2.5 - V和3.3 - V的I/O和MAC接口，支持Auto - MDIX、RMII Rev. 1.2和MII MAC接口等多种接口类型，还具备25 - MHz MDC和MDIO串行管理接口以及IEEE 802.3 100BASE - FX光纤接口。
• 防护与性能：具备8 kV人体模型的ESD保护，可在工业环境中有效抵御静电干扰。支持可编程LED，可用于链路、速率、双工、活动和冲突检测等状态指示。工作温度范围覆盖工业级要求，采用48引脚LQFP封装（7 mm × 7 mm），且在长达150米的CAT5电缆上可实现无差错运行。

1.2 应用领域

DP83640的应用范围广泛，涵盖了多个工业领域：

• 工厂自动化：在Ethernet/IP和CIP Sync等协议的应用中发挥重要作用，确保设备之间的精确同步和高效通信。
• 测试与测量：符合LXI标准，为测试设备提供稳定可靠的网络连接。
• 电信：可用于基站等设备，保障通信的稳定性和实时性。
• 实时网络：满足实时网络对数据传输和时钟同步的严格要求。

二、引脚配置与功能

DP83640的引脚被分类为多个接口类别，每个接口都有其特定的功能。

2.1 引脚布局与分配

它采用48引脚LQFP封装，引脚布局合理，方便工程师进行设计。具体的引脚分配涵盖了串行管理接口、MAC数据接口、时钟接口、LED接口、IEEE 1588事件/触发/时钟接口、JTAG接口、复位和电源下拉选项、10/100 Mb/s PMD接口以及电源引脚等。

2.2 各接口详细功能

• 串行管理接口（SMI）：由MDC和MDIO引脚组成，MDC作为管理数据时钟，为MDIO管理数据输入/输出串行接口提供同步时钟，最大时钟速率为25 MHz。MDIO为双向管理指令/数据信号，需要1.5 - kΩ上拉电阻，可通过寄存器设置启用内部上拉。
• MAC数据接口：包含TX_CLK、TX_EN、TXD[3:0]等发送相关信号以及RX_CLK、RX_DV、RX_ER、RXD[3:0]等接收相关信号。在不同的速率模式下，时钟频率有所不同，如100 Mb/s模式下TX_CLK为25 MHz，10 Mb/s模式下为2.5 MHz。部分信号还提供了集成的50 - Ω信号终端，可减少外部终端电阻的使用。
• 时钟接口：X1为主要时钟参考输入，可连接外部晶体谐振器或CMOS级振荡器。X2为晶体输出，在使用外部CMOS振荡器时可悬空。CLK_OUT为高度可配置的系统时钟，可提供多种时钟源选择，也可作为外部IEEE 1588参考时钟的输入。
• LED接口：支持三个可配置的LED引脚，可通过LED模式选择和寄存器配置实现不同的功能，如指示链路状态、速率、活动和冲突等。
• IEEE 1588事件/触发/时钟接口：多个GPIO引脚可用于信号或检测事件，部分引脚若作为GPIO使用时需注意禁用相关的LED或JTAG功能。
• JTAG接口：包括TCK、TDO、TMS、TRST#和TDI等引脚，用于测试和调试。
• 复位和电源下拉：RESET_N为低电平有效输入，用于初始化或重新初始化设备；PWRDOWN/INTN引脚默认作为电源下拉输入，也可通过寄存器配置为中断输出。

三、规格参数

3.1 绝对最大额定值与ESD评级

在使用DP83640时，需要注意其绝对最大额定值，如电源电压、直流输入输出电压、最大结温、存储温度等。同时，该设备具备良好的ESD防护能力，人体模型（HBM）为±8000 V，带电设备模型（CDM）为±1000 V。

3.2 推荐工作条件

推荐的模拟电源电压为3.3 ± 0.3 V或3.3 ± 10%，I/O电源电压为3.3 V或2.5 ± 5%。工业温度范围为 - 40 °C至85 °C，不同I/O电压下的功耗也有所不同，如V_IO = 3.3 V时功耗为290 mW，V_IO = 2.5 V时功耗为260 mW。

3.3 电气特性

文档中详细给出了DC规格和AC时序要求，包括输入输出电压、电流、传输延迟、时钟频率等参数。例如，在MII串行管理时序中，MDC到MDIO（输出）的延迟时间为0 - 20 ns，MDIO（输入）到MDC的建立时间和保持时间均为10 ns。

四、详细描述

4.1 功能模块概述

DP83640支持多种工业以太网的关键参数，其功能模块包括MII/RMII接口、自动协商、自动MDIX、LED接口、内部回环、电源管理、链路诊断等。这些模块协同工作，确保设备在各种工业环境下稳定运行。

4.2 各功能模块详细介绍

• 媒体配置：支持双绞线（100BASE - TX和10BASE - T）和光纤（100BASE - FX）两种媒体类型，可通过引脚选项或寄存器访问进行配置。默认选择双绞线模式，通过外部下拉可选择FX模式。
• 自动协商：提供了一种在链路两端设备之间交换配置信息并自动选择最高性能运行模式的机制。可通过引脚控制或寄存器控制，支持10 Mb/s半双工、10 Mb/s全双工、100 Mb/s半双工和100 Mb/s全双工四种以太网协议。
• 自动MDIX：该功能默认启用，可通过PHYCR寄存器进行配置。它利用自动协商来确定数据传输和接收的正确配置，并选择合适的MDI对进行MDI/MDIX操作。
• LED接口：支持三个可配置的LED，通过设置不同的模式，可实现对链路状态、速率、活动和冲突等的指示。
• 内部回环：通过设置基本模式控制寄存器（BMCR）的Loopback位，可将MII发送数据路由到MII接收输出，方便进行系统诊断。
• 电源管理：PWRDOWN/INTN引脚默认作为电源下拉输入，可通过设置MICR寄存器的INT_OE位将其配置为中断输出。
• 链路诊断：具备多种链路诊断功能，如链接电缆状态、链路质量监测和TDR电缆诊断等。通过这些功能，工程师可以及时发现电缆故障和链路质量问题。

4.3 寄存器映射与配置

DP83640拥有丰富的寄存器，用于控制和监测设备的各种功能。这些寄存器包括基本模式控制寄存器（BMCR）、基本模式状态寄存器（BMSR）、自动协商广告寄存器（ANAR）等。不同的寄存器具有不同的位定义和功能，工程师可根据具体需求进行配置。

五、应用、实现与布局

5.1 应用信息

DP83640为IEEE 1588实时以太网应用提供了硬件支持，包括IEEE 1588同步时钟生成、数据包时间戳和事件触发与时间戳等功能。通过这些功能，可实现高精度的时钟同步和实时事件处理。

5.2 典型应用设计

在典型应用中，需要注意电源电压、时钟输入等设计要求。对于10/100 Mb/s双绞线接口和100 Mb/s光纤接口，文档给出了推荐的电路设计和相关元件的选择。同时，对于时钟输入，可选择外部CMOS级振荡器或晶体谐振器，并给出了相应的规格参数。

5.3 布局指南

PCB布局对于DP83640的性能至关重要。布局时应将49.9 - Ω、1%电阻和0.1 - μF去耦电容靠近PHYTER TD±和RD±引脚，并直接连接到VDD平面。避免信号迹线上的短截线，保持差分信号对的平行和长度匹配，减少阻抗不连续和电磁干扰。推荐使用至少四层的PCB，以满足信号完整性和性能要求。

5.4 电源供应建议

为了减少电磁干扰，应在设备的VDD供应引脚上使用低阻抗的0.1 - μF表面贴装电容进行旁路，并将其尽可能靠近组件VDD供应引脚。在某些系统中，可考虑在供应引脚串联0 - Ω电阻，以便在需要时添加EMI磁珠。同时，PCB应至少有一个实心接地平面和一个实心VDD平面，以提供低阻抗的电源和返回路径。

六、总结与思考

DP83640是一款功能强大、性能卓越的工业以太网PHY芯片，它在时钟同步、数据传输、诊断功能等方面都表现出色。在实际应用中，工程师需要充分了解其特性和规格，合理进行引脚配置、寄存器设置和PCB布局，以发挥其最大优势。同时，我们也可以思考如何在不同的工业场景中更好地应用这款芯片，进一步提升系统的性能和可靠性。你在使用类似芯片的过程中有遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区交流分享。