本應(yīng)用筆記旨在幫助客戶使用Microchip的10/100/1000 Mbps以太網(wǎng)器件系列設(shè)計PCB。本文檔提供有關(guān)PCB布線的建 議， PCB 布線是保持信號完整性和減少EMI問題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文涵蓋以下主題：

?通用PCB布線指南

?以太網(wǎng)布線指南

?EMI注意事項

?ESD注意事項

?常見布線問題疑難解答

01通用PCB布線指南

電源注意事項：

確保足夠的電源額定值。確認所有電源和穩(wěn)壓器都能提供所需的電流大小。

電源輸出紋波應(yīng)限制在50 mV以下（為了獲得最佳性能，最好小于10 mV）。

所有電源和地平面上的噪聲水平應(yīng)限制在50 mV以下。

鐵氧體磁珠的額定電流應(yīng)為預(yù)期提供電流的4-6倍。另外，還應(yīng)考慮因溫度產(chǎn)生 的降額。

器件去耦：

PCB裝配上的每個高速半導(dǎo)體器件都需要去耦電容。每個電源引腳都需要一個去耦電容。

去耦電容值取決于應(yīng)用。典型的去耦電容值范圍為0.001 μF至0.1 μF。

總?cè)ヱ?a href="http://www.socialnewsupdate.com/tags/電容/" target="_blank">電容應(yīng)大于提供給數(shù)字輸出緩沖器的負載電容，以避免將噪聲引入電源。

通常，選擇II類介電電容進行去耦。首選方案是X7R介電陶瓷電容，因為它具有出色的穩(wěn)定性、合理的封裝尺寸以及優(yōu)異的電容特性。設(shè)計人員的第二個選擇是X5R介電電容，因為它具有出色的穩(wěn)定性。但是，X5R在封裝尺寸與電容特性方面可能會存在一定的限制。考慮去耦電容特性時，低電感至關(guān)重要。

每個去耦電容都應(yīng)盡可能靠近要去耦的電源引腳。

所有去耦電容引線應(yīng)盡可能短。最佳做法是將電容直接連接到地以及頂層的電源引腳。如果不得不使用過孔，則焊盤到過孔的連接長度應(yīng)小于10 mil。走線連接應(yīng)盡可能寬，以降低電感。

強烈建議考慮通過兩個過孔連接所有旁路電容的地，以極大地減小該連接的電感。

PCB旁路：

旁路電容應(yīng)放置在靠近PCB上所有電源入口點的位置。這些電容從高速數(shù)字負載吸收高頻電流。

設(shè)計中的所有電源連接和所有穩(wěn)壓器均應(yīng)使用旁路電容。

旁路電容的值取決于應(yīng)用，由電源的頻率以及負載瞬態(tài)幅值和頻率決定。

所有旁路電容引線應(yīng)盡可能短。最佳做法是將電容直接連接到地以及頂層的電源引腳。如果不得不在表面貼裝焊盤外使用過孔，則焊盤到過孔的連接長度應(yīng)小于10 mil。走線連接應(yīng)盡可能寬，以降低電感。

強烈建議考慮通過兩個過孔連接所有旁路電容的地，以極大地減小該連接的電感。

圖1 PCB旁路技術(shù)示例

PCB大電容：

必須適當(dāng)利用大電容，以將開關(guān)噪聲降至最低。大電容有助于保持恒定的直流電壓和電流大小。

設(shè)計中的所有電源平面和穩(wěn)壓器均應(yīng)使用大電容。

旁路電容的值取決于應(yīng)用，由電源的頻率以及負載瞬態(tài)幅值和頻率決定。

所有大電容引線應(yīng)盡可能短。最佳解決方案是在表面貼裝焊盤內(nèi)使用平面連接過孔。在表面貼裝焊盤外使用過孔 時，焊盤到過孔的連接長度應(yīng)小于 10 mil。走線連接應(yīng)盡可能寬，以降低電感。

遵循良好的設(shè)計原則，只要在電路中使用鐵氧體磁珠，就應(yīng)在鐵氧體磁珠的每一側(cè)放置大電容。

如果在USB連接器上使用鐵氧體磁珠來對VCC 進行濾波，則建議不要在USB連接器側(cè)使用大電容。這是限制USB 電路浪涌電流的一種嘗試。Microchip 強烈建議在鐵氧體磁珠內(nèi)側(cè)使用4.7 μF的大電容。

PCB層策略：

所有以太網(wǎng)LAN設(shè)計至少使用4層PCB。

在典型的 PCB 層疊結(jié)構(gòu)中，頂層（元件側(cè)）為信號，第2 層為固定連續(xù)地平面，第 3 層為固定電源平面，第4 層為 另一個信號。第 1 層被視為主要的關(guān)鍵布線和元件層，因為其正下方是固定數(shù)字地平面。另外，第 1 層不需要通過 過孔來連接位于第 1層的元件。

所有PCB走線（尤其是高速和關(guān)鍵信號走線）應(yīng)在固定連續(xù)地平面層相鄰的第 1層上布線。這些走線必須具有連續(xù) 的參考平面，才能滿足其整個傳導(dǎo)長度的要求。應(yīng)避免信號走線穿過平面分割處（圖2），因為這會導(dǎo)致不可預(yù)測 的返回路徑電流， 并且可能引起信號完整性問題以及產(chǎn)生EMI問題。如果不得不穿過參考平面中的分割處，請考慮 添加拼接電容。

需要將以太網(wǎng)機架地平面與數(shù)字地平面分離。

避免在PCB設(shè)計和系統(tǒng)設(shè)計中形成接地回路。

為了便于布線并最大程度減少信號串?dāng)_問題，多層設(shè)計中的相鄰層應(yīng)以正交方式布線。

圖2信號穿過平面分割處的示例

推薦的層疊布局

? 四層板

- 信號 1 （頂層）

- GND

- 電源平面/GND

- 信號2

? 六層板

- 信號 1 （頂層）

- 電源平面/GND

- 信號2（最適合時鐘和高速信號）

- 信號3（最適合時鐘和高速信號）

- GND

- 信號4

信號完整性問題：

根據(jù)需要為所有高速開關(guān)信號和時鐘線提供交流端接。在走線的負載端進行上述端接。隨著PCB上走線長度的增加，這一設(shè)計問題變得更加關(guān)鍵。

提供阻抗匹配的串聯(lián)端接，以最大程度地減小關(guān)鍵信號（地址、數(shù)據(jù)和控制線）中的振鈴、過沖和下沖。這些串聯(lián)端接應(yīng)位于走線的驅(qū)動器端，而不是走線的負載端。隨著PCB上走線長度的增加，這一設(shè)計問題變得更加關(guān)鍵。

盡量減少在整個設(shè)計中使用過孔。過孔會增加信號走線的電感。

請務(wù)必查看整個PCB設(shè)計，了解是否有走線在任何參考平面切口上方穿過。這很有可能會引起EMC問題。

通常，應(yīng)查看所有信號串?dāng)_設(shè)計規(guī)則以避免串?dāng)_問題。確保走線間有足夠的間隔，以避免串?dāng)_問題。

也可使用保護走線來最大程度地減少串?dāng)_問題。

PCB走線注意事項：

避免在高速數(shù)據(jù)走線中使用90度角。這類角度會影響走線寬度和快速信號的阻抗控制。

要使 PCB 走線能夠提供所需電流量，應(yīng)為其設(shè)計合理的寬度。在頂層或底層的局部區(qū)域中使用迷你平面，這樣可確保提供足夠的電流。

連接任何電源平面或地平面的所有元件引線應(yīng)盡可能短。最佳解決方案是在表面貼裝焊盤內(nèi)使用平面連接過孔。在表面貼裝焊盤外使用過孔時，焊盤到過孔的連接長度應(yīng)小于10 mil。走線連接應(yīng)盡可能寬，以降低電感。這包括為電源層供電的任何鐵氧體磁珠以及為電源層供電的熔絲等。

晶振電路：

將所有晶振電路元件置于頂層。這將使所有這些元件及其走線以同一數(shù)字地平面為參考。

盡可能將所有晶振元件和走線與其他信號隔離。晶振對雜散電容和其他信號的噪聲敏感。晶振還可能干擾其他信號并引起EMI噪聲。

負載電容、晶振和并聯(lián)電阻應(yīng)靠近彼此放置。負載電容的接地連接應(yīng)較短，并遠離USB和VBUS電源線的返回電流。負載電容的返回路徑應(yīng)連接到數(shù)字邏輯電源的地平面。

從以太網(wǎng)器件到晶振、電阻和電容的PCB走線應(yīng)在長度上匹配，彼此應(yīng)盡可能靠近，同時保持最短的路徑。長度匹配的優(yōu)先級應(yīng)高于最短的路徑長度。

驗證晶振電路在應(yīng)用的整個工作范圍內(nèi)工作時是否符合規(guī)范（+/-50 PPM）。這包括溫度、時間和應(yīng)用容差。

接地標志（外露焊盤）中的過孔：

在GND標志上打滿過孔，以確保到地平面的熱連接和電氣連接良好。地平面應(yīng)為1 oz或更高值，以確保器件具有固定的GND參考。這將有助于降低GND噪聲并為器件提供理想的散熱效果。圖3給出了標志焊盤中的接地過孔區(qū)示例。

圖3標志焊盤中的接地過孔區(qū)示例 02

標志焊盤中的接地過孔區(qū)示例

以太網(wǎng)差分對：

每個TRxP/TRxN信號組都應(yīng)作為差分對布線。這包括從RJ45 連接器到LAN器件的整段走線。

單個差分對應(yīng)盡可能靠近布線。通常，在開始計算阻抗時，選擇最小的走線間距（4-5 mil）。然后調(diào)整走線寬度以 獲得必要的阻抗。

差分對應(yīng)構(gòu)造為 100?受控阻抗對。

差分對應(yīng)遠離所有其他走線布線。嘗試使所有其他高速走線與以太網(wǎng)前端保持至少0.300英寸的距離。

確保器件與RJ45 之間的對內(nèi)和對間偏移分別小于50 mil和600 mil。

差分對的長度應(yīng)盡可能短。

盡可能不要過孔。如果使用過孔，請保持最小值并始終匹配過孔，以便平衡差分對。

最大程度減少層變化。盡可能使差分對以相同的電源/地平面為參考。

通常，將千兆位以太網(wǎng)的四個差分對連接到RJ45連接器時，至少有一對需要通過過孔連接到相對的外部層。在這種 情況下，必須確保電路板另一側(cè)（通常是第4層）上的布線經(jīng)過對地阻抗較低的連續(xù)參考平面。切勿越過平面邊界 布線。

為獲得最佳抗擾度，布線時盡可能使每個差分對互相遠離。

端接應(yīng)始終使用與差分布線相同的參考平面。

應(yīng)先對差分對進行布線。確定布線后再添加端接。只需將端接“放在”差分布線上即可。

以太網(wǎng)前端的所有電阻端接應(yīng)具有 1.0%容差值。

以太網(wǎng)前端的所有電容端接都應(yīng)具有嚴格的容差和高質(zhì)量的電介質(zhì)。

為了實現(xiàn)最佳分離效果，可以通過在差分對之間插入地平面孤島來進行實驗。應(yīng)使該地平面與任何走線的間距保持 為電解質(zhì)距離（PCB內(nèi)銅層的間距）的3至5倍。

如果存在端口串?dāng)_問題，則可以使用上文所述的相同分離技術(shù)來分離不同的以太網(wǎng)端口?？梢栽谝蕴W(wǎng)通道之間插 入地平面。應(yīng)使該地平面與任何走線的間距保持為電解質(zhì)距離的3至5倍。

圖4芯片到磁件差分對布線示例

圖5磁件到RJ45差分對布線示例

RJ45連接器：

磁件能夠隔離本地電路和以太網(wǎng)信號連接的其他設(shè)備。IEEE 隔離測試在隔離側(cè)施加壓力，以測試隔離的介電強度。隔 離繞組的中心抽頭有一個“Bob Smith”端接， 通過75?電阻和 1000 pF電容連接到機架地。端接電容應(yīng)具有3 kV的電 壓容差。

要通過EMI兼容性測試，可參考以下實用建議：

建議將RJ45 連接器的金屬屏蔽層連接到機架地以減少EMI發(fā)射。

為了進一步減少EMI 問題，可以在適當(dāng)平面之間放置帶狀線來代替外層的微帶線。請注意，將帶狀線直接放在彼此 的頂部可能會導(dǎo)致通道之間出現(xiàn)電容耦合。不過，對于差分對，這種耦合可能是有益的。

最好不要使電路地平面與形成耦合的機架地重疊，而應(yīng)使機架地成為一個隔離孤島，并在機架地和電路地之間留出 空隙。在機架地和電路地空隙上放置兩到三個1206焊盤。這樣就能通過實驗選擇合適的感性、容性或阻性元件，以 通過EMI發(fā)射測試。1206焊盤的位置應(yīng)盡可能靠近電路板上的電源入口，以使兩個地之間的電流遠離任何敏感電路。

為了最大程度提高ESD 性能，設(shè)計人員應(yīng)考慮選擇不帶LED 的RJ45 模塊。這將簡化布線并允許以太網(wǎng)前端中具有 更大的間隔，以改善ESD/敏感性性能。

此外，還可通過使用表面貼裝觸點 RJ45 連接器來提高 ESD 性能。這可以簡化布線并允許以太網(wǎng)前端中具有更大的 間隔，以改善ESD敏感性性能。

分立和嵌入式RJ45 和磁件模塊的元件放置：

以太網(wǎng)器件與磁件之間的距離應(yīng)小于 1英寸。如果無法實現(xiàn)，則最大值不得超過3英寸。

磁件與RJ45 之間的距離應(yīng)小于 1英寸。

從以太網(wǎng)器件到RJ-45 連接器測得的差分對的總長度應(yīng)小于4英寸。

磁件：

以太網(wǎng)的磁件可以是集成的，也可以是分立的。建議使用分立模塊以更好地控制EMI。

為了最大程度地提高ESD性能，設(shè)計人員應(yīng)考慮選擇分立變壓器，而不是集成磁件/RJ45模塊。這可以簡化布線并 允許以太網(wǎng)前端中具有更大的間隔，以改善ESD/敏感性性能。

使用分立磁件時， 務(wù)必使用端接：四個 75? 端接用于線纜側(cè)中心抽頭， 未使用的引腳連接到 EFT（電快速瞬變） 電容。

使用連接到地平面的EFT電容以及75?端接。建議值為 1500 pF/2 KV或 1000 pF/3 KV。電容與走線和元件的間距至少應(yīng)保持50 mil。

實現(xiàn)地分割以進行高壓安裝（不需要集成磁件）。通常，在 PCB 上磁件到 RJ45 連接器的中間區(qū)域清除所有平面。TRxP/TRxN對應(yīng)是這一清除區(qū)域中僅有的走線，從而形成LAN應(yīng)用所需的高壓勢壘的一部分。

阻抗不連續(xù)會導(dǎo)致意外的信號反射。最大程度減少過孔（信號通孔）和其他不規(guī)則傳輸線的數(shù)量。如果必須使用過 孔，合理的做法是每段差分走線經(jīng)過兩個過孔。

ETHRBIAS/ISET：

ETHRBIAS/ISET電阻設(shè)置內(nèi)部參考電流源。因此，ETHRBIAS/ISET引腳是一個高阻抗節(jié)點，在ETHRBIAS/ISET走線上 產(chǎn)生的任何噪聲都會直接影響內(nèi)部參考電流，從而對眼圖質(zhì)量造成負面影響。ETHRBIAS/ISET 電阻應(yīng)放置在靠近 ETHRBIAS/ISET引腳的位置，并且接地回路應(yīng)盡可能短且直接連接地平面。電阻走線應(yīng)非常短，并與附近的走線隔離。

03EMI注意事項

PCB EMI設(shè)計指南：

在原理圖和PCB設(shè)計周期中都必須考慮如何實現(xiàn)EMC設(shè)計。

最好從產(chǎn)生EMC的根源解決EMC 問題。

標識關(guān)鍵電路：

發(fā)射—— 時鐘、總線和其他重復(fù)電路。

?如果使用晶振，則確保熱引線盡可能短且匹配。

?向時鐘振蕩器添加較小的阻尼電阻或鐵氧體。

?控制時鐘布線

?當(dāng)心有噪聲的振蕩器模塊。

?如有可能，應(yīng)避免使用振蕩器。振蕩器會增加EMI、功耗和抖動。

?如有可能，應(yīng)使用晶振。

抗擾度—— 復(fù)位、中斷和關(guān)鍵控制線。

?向電路輸入端添加高頻濾波器。

?控制走線布線。

?不要使高速信號走線穿過任何平面分割處。

謹慎選擇需要考慮EMI的器件：

越慢越好—— 上升時間和時鐘。

對于信號和電源，使用高速CMOS時需要小心。

電路板設(shè)計：

多層板在發(fā)射和抗擾度方面的性能要出色得多。

不要在電源和地平面中嵌入走線。

密切注意電源去耦：

用高頻電容為每個器件去耦。

使用高頻電容旁路電路板的每個電源輸入。

電容引線應(yīng)盡可能短。

為了在超高速設(shè)計中改善噪聲和EMI，可以組合使用 0.1 μF、0.01 μF和容值更低的電容。

I/O電路注意事項：

信號、電源和地是通過I/O的三個EMI路徑。

向所有I/O線路添加高頻濾波器，即使是慢速線路也是如此。

正確實現(xiàn)I/O平面的隔離。

04ESD注意事項

RJ45 連接器必須具有金屬屏蔽層，以確保最高的ESD性能。

RJ45 連接器的金屬屏蔽層必須直接連接到系統(tǒng)機架地平面的兩個點。

必須在磁件到RJ45 連接器的中間區(qū)域清除所有電源平面和非以太網(wǎng)走線。間隔至少應(yīng)保持0.250 英寸。

N/S和E/W磁件的固定方式不同；因此，磁件的選擇和位置對于ESD 性能至關(guān)重要。

正確布局高壓勢壘。

選擇帶有機架接地片的特定RJ45 連接器，并將它安裝在遠離8引腳連接的位置，這已被證實是ESD的最佳配置。

RJ45 連接器相對于其他連接器和整個PCB的位置對于整體ESD性能非常重要。

確保與高壓勢壘區(qū)域相關(guān)和位于其中的所有電路僅以機架地為參考。高壓勢壘區(qū)域中的LED、電容和反并聯(lián)二極管 如果以數(shù)字地為參考，會對高壓勢壘帶來不利影響（見圖6）。

電源電壓線應(yīng)與其返回線緊密纏繞在一起。

PCB的所有電源入口都必須正確旁路，盡可能靠近PCB上的電源連接器。

接地連接應(yīng)遠離敏感電路。這種策略將迫使ESD流遠離敏感電路，并將其引向地。

整個設(shè)計中的所有信號走線均應(yīng)保持最短。考慮向長度超過 12英寸的信號線添加數(shù)字地“保護走線”。

如果允許 ESD 進入數(shù)字地平面，則可能導(dǎo)致數(shù)字接地層發(fā)生“接地反彈”。這可能導(dǎo)致意外的系統(tǒng)行為和/ 或系統(tǒng) 故障。應(yīng)盡一切努力確保不允許任何ESD源進入PCB上的任何數(shù)字地或電源平面。

圖6高壓勢壘—— 延伸到磁件的中間位置

審核編輯：湯梓紅