如何實現一種網口電路設計？

網絡變壓器分類

可以分為兩類:a. 離散性網絡變壓器(DiscreteLAN Magnetics Module)；b. 內部集成磁性變壓器模塊的RJ45連接器 (RJ45 Connector with Integrated Magnetics,ICMs);

產品依據客戶焊接類型，可以分為兩類:a. 表面貼裝元件 (SMT,Surface Mount Type)b. 插件元件 (TH,Through-Hole Type)

產品依據傳輸速率，可以分類四類:a. 10Base-T,b. 10/100Base-T,c. 1000 Base-T,d. 10G Base-T.

(Base-T: Baseband，雙絞線對。簡而言之，Base-T是一種以bps速率工作的局域網（LAN）標準，它通常被稱為快速以太網，并使用UTP（非屏蔽雙絞線）銅質電纜。快速以太網有三種基本的實現方式：Base-FX、 Base-T、和1Base-T4。每一種規(guī)范除了接口電路外都是相同的，接口電路決定了它們使用哪種類型的電纜。為了實現時鐘/數據恢復（CDR）功能，Base-T使用4B/5B曼徹斯特編碼（Manchester Encoding）機制。)

1、共模扼流圈（CMC：Common mode Choke）

共模扼流圈(Common mode Choke)，也叫共模扼制電感，是在一個閉合磁環(huán)上對稱繞制方向相反、匝數相同的線圈。理想的共模扼流圈對L（或N）與E 之間的共模干擾具有抑制作用，而對L 與N 之間存在的差模干擾無電感抑制作用。但實際線圈繞制的不完全對稱會導致差模漏電感的產生。信號電流或電源電流在兩個繞組中流過時方向相反，產生的磁通量相互抵消，扼流圈呈現低阻抗。共模噪聲電流（包括地環(huán)路引起的騷擾電流，也處稱作縱向電流）流經兩個繞組時方向相同，產生的磁通量同向相加，扼流圈呈現高阻抗，從而起到抑制共模噪聲的作用。共模電感實質上是一個雙向濾波器：一方面要濾除信號線上共模電磁干擾，另一方面又要抑制本身不向外發(fā)出電磁干擾，避免影響同一電磁環(huán)境下其他電子設備的正常工作。

共模扼流圈可以傳輸差模信號，直流和頻率很低的差模信號都可以通過，而對于高頻共模噪聲則呈現很大的阻抗，所以它可以用來抑制共模電流騷擾。

共模電感扼流圈是開關電源、變頻器、UPS 電源等設備中的一個重要部分。其工作原理：當工作電流流過兩個繞向相反線圈時，產生兩個相互抵消的磁場 H1、 H2 ，此時工作電流主要受線圈歐姆電阻以及可忽略不計的工作頻率下小漏電感的阻尼。如果有干擾信號流過線圈時，線圈即呈現出高阻抗，產生很強的阻尼效果，達到衰減干擾信號作用。

CMC抑制共模信號：

顧名思義，共模扼流圈是用來抑制共模噪聲信號（無用的信號，干擾信號)的元件，它對共模噪聲信號形成高阻抗，而對差模信號(有用的信號)基本上無影響。它是抑制EMI電磁干擾的主要元件，工作原理如下：

共模信號是指在兩輸入端輸入極性相同的信號。共模信號將導致電磁干擾。電磁干擾分為輻射干擾和傳導干擾（進入電源線內）。信號傳輸不對稱和阻抗不匹配時差模信號轉換都將產生數字終端設備的共模信號。

CMC對差模信號無影響：

2、自耦合變壓器(Center Tapped Auto-Transformer)

自耦合變壓器對差模信號形成高阻抗，對共模信號基本上無影響，按照以上的接線方式接入線路中，可以有效地進行信號傳輸，繼而進一步減少及抑制了電磁干擾。

3、扼流圈工作原理及插入損耗特性（或稱阻抗特性）：

變壓器兩腳加上信號電壓(差模信號)時，經過磁路耦合作用在變壓器的次級端感應出感生電壓。對于信號電壓，由于CMC兩繞組同時流過的信號電流大小相等、方向相反，在CMC的鐵芯磁路中產生了方向相反的磁通，相互抵消，不影響差模信號傳輸。而此時變壓器Transformer兩繞組流過的則是大小相等，方向相同的電流，致使變壓器Transformer的作用相當于一個大的電阻，阻礙差模信號的通過，對載波信號的傳輸影響極少。

所以差模信號被直接耦合加到負載上。而對共模信號來說，主要是通過變壓器的初、次級間的分布電容耦合到次級，而此時CMC兩繞組流過的是大小相等、方向相同的電流，這時CMC相當于一個大的電阻，阻止共模電流的傳輸，而變壓器Transformer兩繞組則是流過大小相等、方向相反的電流，對共模信號相當于短路，這樣共模電壓基本上不會被傳送，而被耦合到負載上。從而既能使載波信號被很好的傳輸，又能抑制共模干擾信號。

變壓器的中間抽頭。中間抽頭為什么有些接電源？有些接地？這個主要是使用的phy芯片UTP（雙絞線）口驅動類型決定的，有兩種，如果是電壓驅動的就要接電源；如果是電流驅動的就不用了，直接接個電容到地。為什么有些接2.5v？而有些又接3.3v呢？這個由PHY芯片資料里規(guī)定的UTP端口電平決定。如果是2.5v的就上拉到2.5v，如果是3.3v的就上拉到3.3v。

1 網口變壓器作用

1、中間抽頭為什么有些接電源？有些接地？

這個主要是與使用的PHY芯片UTP口驅動類型決定的， 這種驅動類型有兩種， 電壓驅動和電流驅動。電壓驅動的就要接電源；電流驅動的就直接接個電容到地即可！所以對于不同的芯片， 中心抽頭的接法， 與PHY是有密切關系的，具體還要參看芯片的datasheet 和參考設計了。

2、為什么接電源時，又接不同的電壓呢？

這個也是所使用的PHY芯片資料里規(guī)定的UTP 端口電平決定的。決定的什么電平，就得接相應的電壓了。即如果是2.5v 的就上拉到2.5v，如果是3.3v 的就上拉到3.3v。

3.這個變壓器到底是什么作用呢，可不可以不接呢。

從理論上來說，是可以不需要接變壓器，直接接到RJ45上，也是能正常工作的。但是呢，傳輸距離就很受限制，而且當接到不同電平網口時，也會有影響。而且外部對芯片的干擾也很大。當接了網絡變壓器后，它主要用于信號電平耦合。其一，可以增強信號，使其傳輸距離更遠；其二，使芯片端與外部隔離， 抗干擾能力大大增強， 而且對芯片增加了很大的保護作用（如雷擊） ；其三，當接到不同電平（如有的PHY芯片是2.5V，有的PHY芯片是3.3V）的網口時，不會對彼此設備造成影響。

總的來說，網絡變壓器主要有信號傳輸、阻抗匹配、波形修復、信號雜波抑制和高電壓隔離等作用。

數據汞也被叫做網絡變壓器或可稱為網絡隔離變壓器。它在一塊網卡上所起的作用主要有兩個， 一是傳輸數據， 它把PHY送出來的差分信號用差模耦合的線圈耦合濾波以增強信號， 并且通過電磁場的轉換耦合到不同電平的連接網線的另外一端;一是隔離網線連接的不同網絡設備間的不同電平， 以防止不同電壓通過網線傳輸損壞設備。除此而外，數據汞還能對設備起到一定的防雷保護作用。

變壓器兩腳加上信號電壓(差模信號)時，經過磁路耦合作用在變壓器的次級端感應出感生電壓。對于信號電壓，由于CMC 兩繞組同時流過的信號電流大小相等、方向相反，在CMC的鐵芯磁路中產生了方向相反的磁通，相互抵消，不影響差模信號傳輸。

而此時CMT 兩繞組流過的則是大小相等，方向相同的電流，致使CMT 的作用相當于一個大的電阻，阻礙差模信號的通過，對載波信號的傳輸影響極少。所以差模信號被直接耦合加到負載上。而對共模信號來說， 主要是通過變壓器的初、次級間的分布電容耦合到次級，而此時CMC兩繞組流過的是大小相等、方向相同的電流，這時CMC相當于一個大的電阻，阻止共模電流的傳輸，而CMT 兩繞組則是流過大小相等、方向相反的電流， 對共模信號相當于短路， 這樣共模電壓基本上不會被傳送，而被耦合到負載上。從而既能使載波信號被很好的傳輸，又能抑制共模干擾信號。

PHY的DAC (Digital to Analog Converter)確有電壓驅動和電流驅動之分，具體的真的得看PHY的DATASHEET了。但不論電壓驅動和電流驅動，PHY端變壓器的中心抽頭都要接電容來濾波。

重要的是對于電流驅動的 PHY,2線 CMC(COMMON MODE CHOKE) 在PHY端的線路是不適用的，因為電流有可能飽和CMC而使其失去共模抑制作用的。但3 線CMC在PHY端線路因為第三線在原理上等效為自耦變壓器就可以。但在一般的繞法下， 2 線CMC的共模抑制能力要比3 線的要好，

原因是在3 線CMC里有磁場抵消。不過特殊的繞法可以避免這一缺點，但本人不便在此透露，因為涉及專利問題。另外， 3 線CMC 的線路能提供更多的線路平衡， 故其不同模信號的轉換特性要好， 如果EMI（干擾）有余量而EMS(抗干擾） 有問題，就該考慮用帶3 線CMC的變壓器。反之如果EMS有余量而EMI 有問題的話，就用帶2 線CMC的變壓器。如果二者都沒余量， 那就需要跟你的供應商具體討論改善措施了。

a) RJ45和變壓器之間的距離盡可能的短，晶振遠離接口、PCB邊緣和其他的高頻設備、走線或磁性元件周圍，PHY層芯片和變壓器之間的距離盡可能短，但有時為了顧全整體布局，這一點可能比較難滿足，但他們之間的距離最大約10~12cm，器件布局的原則是通常按照信號流向放置，切不可繞來繞去；

b) PHY層芯片的電源濾波按照要芯片要求設計，通常每個電源端都需放置一個退耦電容，他們可以為信號提供一個低阻抗通路，減小電源和地平面間的諧振，為了讓電容起到去耦和旁路的作用，故要保證退耦和旁路電容由電容、走線、過孔、焊盤組成的環(huán)路面積盡量小，保證引線電感盡量??；

c) 網口變壓器PHY層芯片側中心抽頭對地的濾波電容要盡量靠近變壓器管腳，保證引線最短，分布電感最??；

d) 網口變壓器接口側的共模電阻和高壓電容靠近中心抽頭放置，走線短而粗（≥15mil）；

e) 變壓器的兩邊需要割地：即RJ45連接座和變壓器的次級線圈用單獨的隔離地，隔離區(qū)域100mil以上，且在這個隔離區(qū)域下沒有電源和地層存在。這樣做分割處理，就是為了達到初、次級的隔離，控制源端的干擾通過參考平面耦合到次級；

f) 指示燈的電源線和驅動信號線相鄰走線，盡量減小環(huán)路面積。指示燈和差分線要進行必要的隔離，兩者要保證足夠的距離，如有空間可用GND隔開；

g) 用于連接GND和PGND的電阻及電容需放置地分割區(qū)域。

2.以太網的信號線是以差分對（Rx±、Tx±）的形式存在，差分線具有很強共模抑制能力，抗干擾能力強，但是如果布線不當，將會帶來嚴重的信號完整性問題。下面我們來一一介紹差分線的處理要點：

a) 優(yōu)先繪制Rx±、Tx±差分對，盡量保持差分對平行、等長、短距，避免過孔、交叉。由于管腳分布、過孔、以及走線空間等因素存在使得差分線長易不匹配，時序會發(fā)生偏移，還會引入共模干擾，降低信號質量。所以，相應的要對差分對不匹配的情況作出補償，使其線長匹配，長度差通?？刂圃?mil以內，補償原則是哪里出現長度差補償哪里；

b) 當速度要求高時需對Rx±、Tx±差分對進行阻抗控制，通常阻抗控制在100Ω±10%；

c) 差分信號終端電阻（49.9Ω，有的PHY層芯片可能沒有）必須靠近PHY層芯片的Rx±、Tx±管腳放置，這樣能更好的消除通信電纜中的信號反射，此電阻有些接電源，有些通過電容接地，這是由PHY芯片決定的；

d) 差分線對上的濾波電容必須對稱放置，否則差?？赡苻D成共模，帶來共模噪聲，且其走線時不能有stub ，這樣才能對高頻噪聲有良好的抑制能力。

3.變壓器集成在連接器的以太網電路的PCB布局、布線較不集成的相對簡單很多，下圖 3是采用一體化連接器的網口電路的PCB布局、布線參考圖：

圖 3一體化連接器的網口PCB布局、布線參考圖

從上圖可以看出，圖3和圖1的不同之處在于少了網口變壓器，其它大體相同。不同之處主要體現在網口變壓器已集成至連接器里，所以地平面無需進行分割處理，但我們依然需要將一體化連機器的外殼連接到連續(xù)的地平面上。

4.電路濾波設計：

a) 在差分線上分別串接10R電阻，在分別對地添加5-10pF電容

b) 變壓器電源添加LC濾波，選擇600R/100Mhz磁珠和0.01-0.1uF電容

5.電路防雷設計：

為了達到IEC61000-4-5或GB17626.5標準，共模2KV，差摸1KV的防雷測試要求，成本最低的設計方案就是變壓器初級中心抽頭通過防雷器件接地，可以選擇成本較低的半導體放電管，但是要注意“防護器件標稱電壓要求大于等于6V；防護器件峰值電流要求大于等于50A；防護器件峰值功率要求大于等于300 W。注意選擇半導體放電管，要注意器件“斷態(tài)電壓、維持電流”均要大于電路工作電壓和工作電流。

根據測試標準要求，對于非屏蔽的平衡信號，不要求強制性進行差模測試，所以對于差模1KV以內的防護要求，可以通過變壓器自身繞阻來防護能量沖擊，不需要增加差模防護器件。

1）由于TVS管響應比壓敏電阻和氣體放電管快，不能將壓敏電阻or氣體放電管與TVS管直接并聯使用，而應在其中間串聯uH級別的電感或導線（導線也有寄生電感）；

2）氣體放電管需要續(xù)流遮斷：即在其吸收瞬態(tài)發(fā)生短路后要能恢復到開路狀態(tài)，即在一般使用中氣體放電管的直流擊穿電壓比其并聯的信號的工作電壓高的多，當由于瞬態(tài)干擾氣體放電管起作用，發(fā)生短路后，短路狀態(tài)的維持需要一個電壓，若信號電壓會使氣體放電管一直維持在短路狀態(tài)，時間一長，就會將此信號燒毀，所以要使得信號電壓低于維持氣體放電管短路狀態(tài)的電壓。

6. 輻射與ESD：

a) 指示燈走線和電源上都加磁珠,磁珠靠近接口，然后限流電阻靠近PHY芯片，并添加電容濾波。

7. PCB布局布線原則：

1）變壓器與RJ45之間，PHY層芯片與變壓器之間的距離應控制在1inch內。當布局條件限制時，應優(yōu)先保證變壓器與RJ45之間的距離在1inch內。

2）器件布局按照信號流向放置，切勿繞來繞去。

3）變壓器下方的地平面要分割，分割線寬度不小于100MIL，網口變壓器放置在GND和PGND的分隔線上。

4）每對差分走線都要控制走線長度一致，同時注意控制阻抗為50歐姆。

5）注意PHY層芯片的的數字地和模擬地統(tǒng)一，數字電源和模擬電源使用磁珠進行隔離。同時要與變壓器配合。注意PHY芯片的電源濾波，按照芯片要求設計。

6）網口指示燈的電源線3.3V或者2.5V來自于電源平面，要對它們使用磁珠和電容進行退耦；指示燈驅動線要靠近PHY串連電阻，并在進入I/O區(qū)域之前進行電容濾波。這樣防止噪聲通過指示燈電源線耦合到差分線對區(qū)域。

7）指示燈電源線和驅動信號線要靠近走線，盡量減小環(huán)路面積。

8）指示燈線和差分線對要進行必要的隔離，兩者要保證距離足夠遠，如果必要使用GND平面進行隔離。

9）注意網口變壓器芯片側中心抽頭對地的濾波電容要盡量靠近變壓器管腳，保證引線最短，分布電感最小。

10）用于連接GND和PGND的0歐姆電阻或者電容要放置在地分割線上。

11）PHY芯片的模擬電源不要占用大面積平面，從局部銅皮通過走線、磁珠、走線拉到變壓器芯片側中心抽頭上。

12）PHY芯片與變壓器之間已經沒有VDD，將PHY芯片與變壓器之間的平面層區(qū)域定義為GND，這樣可以切斷來自VDD平面的噪聲途徑。

13）沿 單 板 PCB的 邊 緣（不用包住PGND，見圖8）每隔250mil打一個接地過孔，這些過孔排可以切斷單板噪聲向外輻射的途徑，減小對PGND靜地的影響。

14）單 板 的 PGND、GND通過 鏍 孔 和 結 構 相 連 接，保 證 系 統(tǒng) 地 電 位 的 統(tǒng) 一。

15）保 證 電 源 平 面 和 地 平 面 之 間 的 良 好 退 耦 （低 阻），電 源 平 面 最 好 和地平面相鄰。

16）和電源平面相鄰的信號線不要超出電源平面的投影區(qū)域。

17）要保證和電源平面相鄰的信號線的回流路徑的完整性，否則就要改變平面的形狀，使得信號線處在平面層內，回流路徑的不完整會帶來嚴重的EMC問題。

18）推 薦 把 所 有 的 高 速 信 號 線 、I /O 線 、差 分 線 對 優(yōu) 先 靠 近 地 平 面 走 線 ，如果無法實現才以電源平面作為參考平面。

19）差分線要遠離其它信號線，放置其它信號線把噪聲耦合到差分線上。

20）為了減小差分信號的噪聲，數字信號線或電源要遠離模擬信號線或電源。

21）電源的去耦和旁路是十分重要的，它們可以為信號提供一個低阻抗通路，減小電源和地平面間的諧振。電容可以起到去耦和旁路的作用，但要保證退 耦 和 旁 路 電 容 由 電 容 、 走 線 、 過 孔 、 焊 盤 組 成 的 環(huán) 路 的 面 積 盡 量 小 ， 保 證 引 線 電感盡量小，見下圖所示

退耦電容的環(huán)路面積

變壓器中心抽頭共模電容的布局布線對比圖

7.2、采用一體化連接器的網口電路PCB布局、布線規(guī)則

下面只針對不同點進行描述。

1)網口變壓器是隔離器件，用于切斷共模，因為已經被集成在連接器里，所以地平面不再進行分割處理。

2)一體化連接器的外殼應該連接到連續(xù)的地平面上。不要在連接器下面創(chuàng)建機架地。

3)單板周圍每隔250mil打接地過孔，將單板噪聲屏蔽在板內。

很重要的一點（借鑒與電腦主板設計）：對于裸露在機箱外的接地設備的金屬外殼需要打接觸放電（如232 USB 以太網接口等），他們的信號線的防護措施如GDT 壓敏 TVS等要接到金屬外殼即大地，泄放到大地（接地設備的金屬外殼一般接大地）。