以太网电接口采用UTP的EMC设计指导书.doc

以太网电接口采用utp的emc设计指导书 目 录前 言41范围和简介51.1范围51.2简介51.3关键词52规范性引用文件53术语和定义64utp（非屏蔽网线）的介绍6510/100base-t、1000base-t以太网电接口的共模噪声7610/100/1000base-t以太网电接口电路设计76.110/100/1000base-t以太网电接口原理图设计76.1.1网口变压器集成在连接器里的网口电路原理图86.1.2网口变压器集成在连接器里的网口电路原理图86.1.3网口指示灯电路原理图96.1.4带滤波的10/100baset以太网口电路原理图106.1.5带滤波的1000baset以太网口电路原理图116.210/100/1000base-t以太网电接口pcb布局、布线126.2.1网口变压器没有集成在连接器里的网口电路pcb布局、布线规则126.2.2采用一体化连接器的网口电路pcb布局、布线规则156.2.3其它的布局、布线建议167实际测试案例：198结论:229附录：2410参考文献26前 言本规范的其他系列规范：无与对应的国际标准或其他文件的一致性程度：无规范代替或作废的全部或部分其他文件：无与其他规范或文件的关系：无与规范前一版本相比的升级更改的内容：如果是升级规范，则一定要在此处详细描述本版本相对于上一版本更改的内容，如果是第一次制定，则填写“第一版，无升级更改信息”。本规范由xx部门提出。本规范主要起草和解释部门：本规范主要起草专家：格式（部门：姓名(工号)、姓名(工号)，部门：姓名(工号)、姓名(工号).）本规范主要评审专家： 格式（部门：姓名(工号)、姓名(工号)，部门：姓名(工号)、姓名(工号).）本规范批准部门：xx部门本规范所替代的历次修订情况和修订专家为：规范号主要起草专家主要评审专家姓名(工号)、姓名(工号)姓名(工号)、姓名(工号)姓名(工号)、姓名(工号)姓名(工号)、姓名(工号)10/100/1000base-t以太网口采用utp网线的emc设计指导书1 范围和简介1.1 范围本规范规定了10/100 base-tx、1000 base-tx以太网口采用utp网线的emc电路设计，用以保证10/100 base-tx、1000 base-tx以太网口具有良好的emc性能，使用utp就能满足系统的emc要求。本规范适用于具有110/100 base-tx、1000 base-tx以太网口的单板设计和已有单板的升级，以及现有未对10/100 base-tx、1000 base-tx以太网口进行emc电路设计的产品的整改指导。1.2 简介随着海外市场的拓展，特别是北美市场的介入，对产品使用utp（unshielded twisted pairs）电缆满足emc性能的需求越来越急切。utp电缆以价格便宜、重量轻，容易制作的优点，得到广大用户的青睐，应用十分普遍。但在应用utp电缆的同时，emc的问题就摆在我们面前了，需要尽快解决。大家都知道，utp对于emi有一定的抑制作用，但只局限于较低频率，在一篇文档上我看到是30mhz，也就是说，单靠utp自身的共模抑制作用是不能满足re性能的。utp和以前我们使用的stp不同，stp网线的外面包有一层屏蔽编织网和铝箔，这些屏蔽层衰减、吸收了网线对外的辐射。10/100 base-tx、1000 base-tx以太网口在我司产品单板中的应用十分普遍，针对目前存在的以太网口使用utp无法满足emc性能要求的问题，特制订本指导书，目的在于规范设计，提高10/100 base-tx、1000 base-tx以太网口的emc性能。在本规范中针对10/100 base-tx、1000 base-tx以太网口的器件、原理图和pcb提出了emc设计建议，并根据产品的定位推荐使用的解决方案。由于技术的不断发展，本指导书也会根据实际情况进行相应的修改和补充，本设计指导书将进行不定期的修订，以最新的设计指导书为准。同时由于不同产品的的差异性，实际设计时，可考虑对指导书中电路的参数进行调整。1.3 关键词emc、网口变压器、pcb、以太网口、一体化连接器、utp2 规范性引用文件下列文件中的条款通过本规范的引用而成为本规范的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本规范，然而，鼓励根据本规范达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本规范。序号编号名称1cispr 22(1997)information technology equipment radio disturbance characteristics limits and methods of measurement.2fcc part 153gr 1089-coreelectromagnetic compatibility and electrical safety generic criteria for network telecommunications equipment4单板接口电路emc设计指导书1.03 术语和定义utp：非屏蔽网线。pgnd：设备金属外壳的保护接地，用于泄放故障电流和单板保护器件泄流通道。gnd：设备功能电路的接地，是单板及母板上的数字地和模拟地的统称。emc：(electromagnetic compatibility)电磁兼容性emi： (electromagnetic interference) 电磁干扰ems：(electromagnetic susceptibility) 电磁敏感度esd： (electrostatic discharge) 静电放电eft/b： (electrical fast transient burst) 电快速瞬变脉冲群surge ：浪涌re：（radiated emission）辐射骚扰ce：（conducted emission）传导骚扰cs：（conducted susceptibility）传导骚扰抗扰度rs：（radiated susceptibility）射频电磁场辐射抗扰度mac： 媒体接入控制层，是数据链路层的子层。phy：物理层4 utp（非屏蔽网线）的介绍 非屏蔽网线由两根具有绝缘保护层的铜导线组成，两根绝缘铜导线按照一定密度绞在一起，这样可降低信号的干扰程度。每一根导线在传输中辐射的电波会与另外一根的抵消。utp因为安装容易、重量轻、具有阻燃性等优点得到广泛应用。eia/tia为双绞线电缆定义了五种不同质量的型号，现在应用最多的是五类线，其最高传输速率100m，主要应用与十兆、百兆以太网。超五类线是相比五类线串扰更小、衰减更小的双绞线。用来衡量utp的主要指标有：1、 衰减：就是沿链路的信号损失度量。2、 近端串扰：测量一条utp链路对另一条的影响。3、 直流电阻。4、 衰减串扰比（acr）。5、 电缆特性。5 10/100base-t、1000base-t以太网电接口的共模噪声在10/100/1000base-t以太网接口中，与emc关系最大的部分位于phy芯片到连接器之间的部分，良好的phy芯片可以大大降低emi，提高ems。10/100base-t、1000base-t接口的共模噪声频谱如下图所示：图1 差分线输出共模噪声频谱图中蓝线和黑线分别代表100base-t和1000base-t的信号频谱，纵轴的大小反应了信号的强度。网口的emi主要来自于差分信号线对以及变压器中心抽头的输出共模噪声，这些共模噪声在utp中就会产生emi。6 10/100/1000base-t以太网电接口电路设计目前以太网按照速率主要包括10m，10/100m，1000m三种接口，10m应用已经很少，基本为10/100m所代替。目前我司产品的以太网电接口类型主要是采用双绞线的rj45接口，因此下面只讲述采用双绞线作为传输媒介，采用rj45对外接口的10/100m，1000m网口基本原理、器件选型以及pcb设计方面的内容。设计时应考虑的因素。 6.1 10/100/1000base-t以太网电接口原理图设计我司的产品广泛应用到了10/100/1000base-t以太网接口，因为双绞线接口10/100/1000base-t价格低廉，应用简单等特点应用最为普遍，特别是以太网交换机，一块单板可能就会出48个10/100m以太网口，网口的类型也是多种多样，因为网口信号的速率、密度很高，emi问题显得十分突出。10/100/1000base-t以太网口电路按照连接器的种类网口电路可以分为：网口变压器集成在连接器里的网口电路和网口变压器不集成在连接器里的网口电路。下面分别给出它们的原理图：6.1.1 网口变压器集成在连接器里的网口电路原理图图2 10/100/1000base-t以太网口电路原理图1根据上图，可见网口电路主要包括phy芯片，网口变压器，网口连接器三部分。1、上图中，变压器匝数比不同，变压器前面的49.9欧姆电阻就不同，根据实际变压器情况以及网线阻抗进行选择，保证两者阻抗匹配。2、上图右侧的虚线框中部分是bob smith 电路，此电路由bob smitch发明，采用此电路的主要作用如下：1) 可以产生10db的共模emi衰减。2) 提供接近75欧姆的共模阻抗。3) 降低rj45连接器未使用管脚的辐射发射。3、上图中，网口变压器中心抽头的电容值对emc性能有影响，调整电容的大小，可以使emc性能最优。4、上图中间部分的，由电容组成的差模、共模滤波器可以增强emc性能,建议在网口增加此部分电路。5、上图是1000baset接口的原理图，和10/100baset的区别仅仅在于每个端口10/100baset由两对差分线组成，而1000baset接口由四对差分线组成。6.1.2 网口变压器集成在连接器里的网口电路原理图图3 10/100/1000base-t以太网口电路原理图2根据上图，可见网口电路主要包括phy芯片，网口连接器两部分。1、上图中，变压器匝数比不同，变压器前面的49.9欧姆电阻就不同，根据实际变压器情况以及网线阻抗进行选择。2、上图的bob smith 电路集成在网口连接器里。3、上图中，ct端对地的电容值对emc性能有影响，调整电容的大小，可以使emc性能最优。4、上图中间部分的，由电容组成的差模、共模滤波器可以增强emc性能,建议在网口增加此部分电路。5、上图是1000baset接口的原理图，和10/100baset的区别仅仅在于每个端口10/100baset由两对差分线组成，而1000baset接口由四对差分线组成。6.1.3 网口指示灯电路原理图带指示灯的以太网口电路原理图与不带指示灯灯的大致相同，只是多出指示灯的驱动电路，如下图所示。图4 网口指示灯原理图注意点：1、两个匹配电阻是否需要根据phy层芯片决定，如有的phy层芯片内部集成匹配电阻就不需要。匹配电阻是接地还是接电源也是由phy芯片决定，一般接电源。2、芯片侧中间抽头需要通过磁珠串接电源，并且注意每一路接一个磁珠，并通过电容0.01-0.1uf接数字地。3、点灯部分电路，link和act灯走线要加磁珠处理，同时供电电源也要加磁珠处理。但所有显示驱动灯的电源可以共用一个磁珠。4、变压器与连接器部分的匹配电阻75欧姆和50欧姆精度可以放低到5。 但有功率要求，建议选用1/10w的电阻，具体见后面器件选型。但注意由于工艺要求阻排不能够放在单板反面，因此不要换成阻排。6.1.4 带滤波的10/100baset以太网口电路原理图为了保证以太网的emc性能，降低共模emi，增强抗扰度，有必要在网口添加滤波电路。下图是带滤波的10/100m以太网电路原理图：图5 带滤波器件的10/100m网口电原理图上图中采用共模呃流圈st7078进行共模滤波。st7078内部集成四个线圈，对共模呈现高阻，而对差模信号阻抗很小，采用st7078不仅保证了emc性能，而且对差模信号影响较小，因此基本不会影响信号质量。关于st7078的详细资料参见后面的附录。6.1.5 带滤波的1000baset以太网口电路原理图随着通信技术的发展，以太网的速度越来越快，千兆以太网也应用广泛。我司的中高端以太网交换机都用到了1000m以太网技术。考虑到emc需求，在必要的场合需要对1000m以太网口进行滤波处理，滤波电路如下图所示： 图6 带滤波器件的1000m网口电原理图上图中采用murata的共模呃流圈作为共模滤波器件，该器件对差模阻抗很小，对信号质量影响也很小。具体器件的参数请参考附录。6.2 10/100/1000base-t以太网电接口pcb布局、布线下面还是按照连接器是否集成网口变压器来分别进行说明。6.2.1 网口变压器没有集成在连接器里的网口电路pcb布局、布线规则图7 采用分立变压器和连接器的网口pcb布局、布线图参考上图，需要注意下面几点：1、变压器与rj45之间，phy层芯片与变压器之间的距离应控制在1inch 内。当布局条件限 制时，应优先保证变压器与rj45之间的距离在1 inch 内。2、器件布局按照信号流向放置，切勿绕来绕去。3、变压器下方的地平面要分割，分割线宽度不小于100mil，网口变压器放置在gnd和pgnd的分隔线上。4、每对差分走线都要控制走线长度一致，同时注意控制阻抗为50欧姆5、注意phy层芯片的的数字地和模拟地统一，数字电源和模拟电源使用磁珠进行隔离。同时要与变压器配合。注意phy芯片的电源滤波，按照芯片要求设计。6、网口指示灯的电源线3.3v或者2.5v来自于电源平面，要对它们使用磁珠和电容进行退耦；指示灯驱动线要靠近phy串连电阻，并在进入i/o区域之前进行电容滤波。这样防止噪声通过指示灯电源线耦合到差分线对区域。7、指示灯电源线和驱动信号线要靠近走线，尽量减小环路面积。见图左下脚。8、指示灯线和差分线对要进行必要的隔离，两者要保证距离足够远，如果必要使用gnd平面进行隔离。9、注意网口变压器芯片侧中心抽头对地的滤波电容要尽量靠近变压器管脚，保证引线最短，分布电感最小。10、用于连接gnd和pgnd的0欧姆电阻或者电容要放置在地分割线上。11、phy芯片的模拟电源不要占用大面积平面，从局部铜皮通过走线、磁珠、走线拉到变压器芯片侧中心抽头上。12、phy芯片与变压器之间已经没有vdd，将phy芯片与变压器之间的平面层区域定义为gnd，这样可以切断来自vdd平面的噪声途径。实际处理见下图。图8 网口变压器和连接器之间区域电源平面的处理13、沿单板pcb的边缘（不用包住pgnd，见图8）每隔250mil打一个接地过孔，这些过孔排可以切断单板噪声向外辐射的途径，减小对pgnd静地的影响。14、单板的pgnd、gnd通过镙孔和结构相连接，保证系统地电位的统一。15、保证电源平面和地平面之间的良好退耦（低阻），电源平面最好和地平面相邻。16、和电源平面相邻的信号线不要超出电源平面的投影区域。17、要保证和电源平面相邻的信号线的回流路径的完整性，否则就要改变平面的形状，使得信号线处在平面层内，回流路径的不完整会带来严重的emc问题。18、推荐把所有的高速信号线、i/o线、差分线对优先靠近地平面走线，如果无法实现才以电源平面作为参考平面。19、差分线要远离其它信号线，放置其它信号线把噪声耦合到差分线上。20、为了减小差分信号的噪声，数字信号线或电源要远离模拟信号线或电源。21、电源的去耦和旁路是十分重要的，它们可以为信号提供一个低阻抗通路，减小电源和地平面间的谐振。电容可以起到去耦和旁路的作用，但要保证退耦和旁路电容由电容、走线、过孔、焊盘组成的环路的面积尽量小，保证引线电感尽量小，见下图所示：图9 退耦电容的环路面积从上图可见，最右边的情况有最小的环路面积。图10 变压器中心抽头共模电容的布局、步线示意图从上图可见，左边的布局中，电容要通过长线连接到平面上，存在很大的引线电感；而右边的布局中，退耦电容连线很短，保证了低引线电感的要求。6.2.2 采用一体化连接器的网口电路pcb布局、布线规则一体化连接器因为体积小，性能好的优点，应用越来越广泛。通过实际的应用，发现在一体化连接器可以有效降低网口的emi。下面是采用一体化连接器的网口电路的pcb布局、布线示意图：图11 采用一体化连接器的网口pcb布局、布线示意图从上图可以看出，图11和图7的不同在于少了网口变压器，其它大都相同。下面只针对不同点进行描述。1、 网口变压器是隔离器件，用于切断共模，因为已经被集成在连接器里，所以地平面不再进行分割处理。2、 一体化连接器的外壳应该连接到连续的地平面上。不要在连接器下面创建机架地。3、 单板周围每隔250mil打接地过孔，将单板噪声屏蔽在板内。6.2.3 其它的布局、布线建议6.2.3.1 电源、地平面的布局尽管我们一直建议电源和地平面相邻，但是一些对价格敏感的单板可能并不能做到。下面的建议可以一定程度上减小电源的阻抗。见下图：图12 在电源平面的相邻信号层铺地减小电源阻抗电源层power2并没有与地平面相邻，对地阻抗可能较大，如果退耦不合理就会带来emc问题。而且，如果power2层被同时分成多个电压区域，跨这些区域的信号线就会因为回流路径不连续产生较大的环路面积，从而导致出现emc问题。如果我们在inner4层和bottom层进行地填充，就可以一定程度的降低电源的阻抗，为信号线创造低阻抗通路。6.2.3.2 差分线对布局、布线要求 差分线对以差分形式存在，具有很强的共模抑制能力，但是如果布局布线不当，差模就可以转化为共模，带来共模噪声。因此对差分线的处理要注意：2、 差分线对间的距离要保持一致，大约等于线宽。3、 差分线的特征阻抗要控制在100欧姆10。4、 建议在内层走线，并尽量和地平面相邻。5、 保持差分线对的对称，任何不对称都会造成差模向共模的转变。6.2.3.3 差分信号终端电阻、滤波电容的布局、布线 49.9欧姆的终端电阻（有的phy可能没有）必须靠近phy芯片的tx和rx管脚放置，两个终端电阻的中间必须和地以尽可能短的连线相连。如下图所示：图13 终端电阻、滤波电容布局、布线示意图 如上图所示：右侧的两个4.7pf电容对于高频噪声具有良好的抑制能力，但是只有保证了电容引线的低电感，才能起到应由的作用。两个滤波电容必须良好对称，保证平衡，否则差模可能转成共模，带来共模噪声。使用中还要注意，电容的取值不能太大，太大的电容会影响信号的质量甚至功能。 另外，这两个47pf的电容可以通过平面来产生，大家知道，平面电容的分布电感是十分低的，在与地平面相邻的信号层无走线区域打一块补丁，就可以产生一个高性能电容。见下图：图14 利用pcb构造滤波电容6.2.3.4 选择高共模抑制能力的变压器 变压器的共模抑制能力可以降低差模向共模的转变，但是在变压器的datasheet里一般并不会列出emc测试范围内的共模抑制性能。这样给变压器的选择带来困难。1、 一般选择在线路侧有共模呃流圈的变压器。2、 使用支持自协商的变压器可能会降低共模抑制能力，这种变压器的收、发对称，而且收、发线圈的中心抽头连接在一起。6.2.3.5 变压器线路侧的共模电阻和高压电容 变压器线路侧的75欧姆电阻和高压电容为utp电缆提供了共模通路，在布局、布线时注意：1、 把这些共模电阻靠近变压器中心抽头放置。2、 电阻和电容的连接要使用短而粗的走线（1015mil）。按照变压器结构的不同，主要可以分为下面两种情况：图15 共模电阻和高压电容连接图1图16 共模电阻和高压电容连接图2对于图15的情况，推荐电阻的值取75欧姆，但这样做的前提是保证机架地是静地。对于图15的情况，推荐电阻的值取0欧姆。6.2.3.6 改变差分线号的传输波形 某些phy芯片可以通过设置特定管脚内部的寄存器改变信号的上升、下降沿。一定程度的减缓信号的上升沿（或下降沿）可以一定长度的减少emi。 7 实际测试案例：1、 某单板有48个100mbaset端口，因为端口很多，采用utp无法通过cispr 22 class a。但采用stp可以通过，可见网线对外的辐射十分严重，采用utp网线的测试结果见下图： frequency level transd limit margin height azimuth polarisation mhz dbv/m db dbv/m db cm deg 687.480000 45.00 8.6 47.0 2.0 109.0 8.00 horizontal 700.020000 44.60 9.0 47.0 2.4 108.0 -7.00 horizontal 750.000000 50.40 9.7 47.0 -3.4 375.0 26.00 vertical 812.460000 42.80 10.0 47.0 4.2 325.0 12.00 vertical 874.980000 47.80 11.7 47.0 -0.8 104.0 -24.00 horizontal 999.960000 42.20 13.1 47.0 4.8 231.0 -4.00 vertical 从上图可见：超标点主要集中在600m1g，而其中大部分都是时钟的倍频。针对此进行了如下改进：（1） 采用一体化的网口连接器。变压器1164是支持mdix的变压器，发和收能够根据对端情况自行改变。这种结构的变压器结构如下： 这种变压器内部只有一级共模滤波，由于分布电容的影响，变压器对高频（1ghz左右）噪声的滤波效果不好，不能满足要求。而一体化滤波器把网口变压器和接口连接器集成在一个封装里，因为厂家在设计一体化连接器时已经考虑到了emc问题，并且从样片的测试情况来看，效果也比较好，对高频噪声的抑制作用明显加强。（2） 在phy到变压器之间增加共模和差模滤波电容，滤除高频噪声。（3） 优化指示灯走线，减小指示灯回流面积，在指示灯线上串连磁珠，抑制高频。（4） 优化时钟信号，适当增加匹配电阻，特别针对125mhz时钟进行优化。（5） 在pcb单板边缘每隔一段距离打接地过孔。采用一体化连接器的设备使用utp网线测试结果如下：frequency level transd limit margin height azimuth polarisation mhz dbv/m db dbv/m db cm deg 146.100000 34.10 -8.0 40.0 5.9 381.0 -111.00 horizontal 687.480000