CH398 技术解析：USB 转千兆以太网单芯片方案与内置电源架构设计要点

USB 外置网卡与工控板载网口传统方案常采用多颗分立 PHY、LDO、DCDC 器件组合，电源拓扑复杂且协议适配调试工作量大。沁恒微电子推出的 CH398 集成 USB3.2 Gen1 控制器、千兆以太网 MAC/PHY 与多路内置调压电路，单芯片实现 USB 到以太网的桥接功能，并支持多种内置供电方案以精简外围电路。配套完整硬件底板、固件调试全套落地方案可由深圳潜创微科技提供。

 

一、芯片概述与硬件资源

1.1 系统级应用拓扑

CH398 同时具备 USB 高速前端与千兆以太网收发单元。USB 侧兼容 USB3.0/2.0 双模式接入主机，以太网侧通过四对差分通路外接变压器与 RJ45 接口。内部 RISC-V 内核完成数据包校验、流量控制与休眠唤醒调度。电源模块独立集成 5V 转 3.3V LDO 与 3.3V 转 1.1V DCDC 转换电路，整机可仅由单路 5V 或 3.3V 输入完成全芯片供电。

1.2 内部功能模块划分

芯片内部可划分为以下独立硬件域：

第一，USB PHY 域：集成 USB3.0 SS 差分与 USB2.0 HS 收发器，支持 U1/U2/U3 多级链路省电模式。

第二，千兆以太网 MAC+PHY 域：硬件 Auto-MDIX 线路自动翻转，内置 IPv4/IPv6 校验、VLAN 标记与巨型帧处理单元。

第三，RISC-V 内核控制域：负责数据包转发、网络唤醒与 LED 状态逻辑。

第四，内置电源转换域：集成 3.3V LDO 与 1.1V DCDC 降压电路，配套完整滤波通路。

第五，外设配置域：CH398M 型号提供 SPI 配置接口，两型号均提供三路 LED 驱动与通用 GPIO 引脚。

1.3 封装与电源资源

芯片提供 CH398M 与 CH398X 两款型号，均采用 5×5mm QFN40 封装，工作温度范围为 -40℃ 至 85℃。USB 信号引脚 HBM ESD 防护等级为 5kV，以太网信号引脚为 3kV。主要硬件资源包括：4 对千兆 MDI 差分引脚、USB3/USB2 复合差分引脚、25MHz 晶振接口，以及三路状态指示灯。芯片内置 POR 上电复位，无需外部复位电路。

二、核心协议处理机制

2.1 USB 与以太网数据转发

USB 控制器与千兆 MAC 采用片内高速直连缓存，不经过外部内存。主机下发数据包存入 TX 缓存后，硬件自动完成 IP/TCP 校验并转发至以太网 PHY；网口接收数据经校验纠错后送入 USB 上行缓存。芯片支持 IEEE802.3x 全双工流量控制与半双工冲突压力回退流量控制，硬件层避免丢包。内置休眠检测功能，可通过魔术包实现网络远程唤醒，空载时自动降低功耗。

2.2 多系统兼容协议

芯片内置三套固件模式：CDC-NCM、CDC-ECM 与厂商专属驱动模式。上电后固件根据主机命令自动选择启用相应模式，原生适配 Windows、Linux、macOS、鸿蒙、Android 及 iOS 等操作系统。标准场景下可使用免驱的 CDC 协议，追求更高性能可加载厂商专属驱动。CH398M 型号支持通过 SPI Flash 固化自定义 USB 标识与 MAC 地址。

2.3 Auto-MDIX 自适应与速率协商

以太网四对差分收发引脚内置极性识别电路，上电自动检测 RJ45 线路正反，无需硬件跳线。兼容 CAT5E/CAT6 线材，支持百米千兆传输，同时支持 10/100/1000M 速率自动协商，向下兼容老式网络设备。

三、内置供电拓扑方案

芯片核心差异化设计为内置完整电源转换电路，提供四种合规供电方案：

3.1 单 5V 输入方案

VDD5 接入 5V，内置 LDO 输出 3.3V，DCDC 搭配 2.2μH 电感生成 1.1V。各电源端需并联多层滤波电容，1.1V 电源对地电容累计不小于 10μF，3.3V 不小于 4.7μF。该方案需考虑芯片散热，若 5V 电源为带电插拔，建议增加 5.5V 过压保护器件。

3.2 单 3.3V DCDC 方案

VDD33 与 VDD5 共接 3.3V，依靠内置 DCDC 降压产生 1.1V 内核电源。该方案适合板载嵌入式设备，可省去外部 5V 供电线路。

3.3 外部双电源直供

断开 VSW 电感，外部单独提供 3.3V 与 1.1V。该方案可规避 DCDC 开关噪声，适用于对电源纯净度敏感的场景。

3.4 非 DCDC 低压 LDO 方案

CFG 引脚下拉，依靠内置低压 LDO 生成 1.1V。数据手册明确指出该方案整体功耗较大，发热影响长期可靠性，必须额外散热，仅用于特定环境下的临时调试。

时序要求：芯片内置 POR 上电复位与 LVR 低压复位，电源跌落时自动触发复位保护。所有同名电源引脚在 PCB 层面需短接或通过磁珠连通。

四、PCB 布局与外围设计

USB3.0 SS 差分对内长度误差建议控制在 5mil 以内，全程保持完整参考地平面，并远离网口变压器与开关电源区域。千兆 MDI 差分走线应紧邻 RJ45 与网络变压器，差分阻抗匹配 100Ω，四对走线建议尽量等长。

DCDC 电感与 VDD5/VDD33 电源区域应采用大面积铺铜，底板接地过孔需充分连接全局地平面以加强散热。25MHz 晶振应紧邻 XI/XO 引脚，区域包地以降低 EMI 辐射。LED 与 SPI 低速走线应远离高速差分与模拟区域。

五、配置与调试

CH398M 型号提供 SPI 接口，上电自动检测外部 SPI Flash，若标志字有效则读取 MAC 地址、USB VID/PID、电源配置等参数。若无外挂 Flash 或数据无效，则使用出厂预置配置。CH398X 型号无 SPI 引脚，仅支持通过 USB 在线配置。两型号均提供三路 LED 指示灯，可通过配置工具自定义速率、极性与闪烁周期。

六、典型应用场景

CH398 适用于笔记本外置 USB 网卡、工控主板拓展网口、嵌入式开发板、直播采集扩展坞及车载数据传输模块等硬件平台。其单芯片集成 USB 与以太网桥接功能，配合内置多档电源架构，可有效减少外围稳压与协议转换器件，简化 USB 转网口硬件的开发流程。

审核编辑 黄宇