接口防护电路-网口20100504.doc

1 网口1.1 网口网口按传输速率分为十兆、百兆、千兆网口，结合公司实际情况，目前使用最多的是百兆和千兆网口。100BASE-TX 是 IEEE 802.3u 标准，是一种使用5类数据级无屏蔽双绞线或屏蔽双绞线的快速以太网技术。它使用两对双绞线，一对用于发送，一对用于接收数据。在传输中使用4B/5B 编码方式，信号频率为125MHz。符合EIA586 的5类布线标准和IBM 的SPT 1类布线标准。使用同10BASE-T 相同的RJ-45 连接器。它的最大网段长度为100 米。它支持全双工的数据传输。5类电缆的传输速度最小为0.57bt/m（bt 表示10ns），快速以太网规定网络接口PHY的延迟不能超过25bt，I类中继器的任意两个端口的延迟不能超过70bt，II 类中继器（所有端口都是100BASE-TX）的任意两个端口的延迟不能超过46bt。根据以上计算，在保证能够完成冲突检测的前提下，5 类电缆布线的长度可以大于100 米。但是在电缆安装的时候，必须符合EIA/TIA-568 标准，它描述了接线箱和网络节点之间的电缆长度。这一段长度在以太网规范中定义为链段。100BASE-TX 规范支持最大长度为100 米的链段。就是说连接任意两个MDI的网线的长度不能大于100 米。所以在100BASE-TX 中PHY 的设计只要保证最大长度100 米的应用。1000BASE-TX 是IEEE802.3z标准，速率为1000Mbit/s（1Gbit/s），最大电缆长度为100米。1000Base-TX是基于四对双绞线，但却是以两对线发送，两对线接收(类似于100Base-TX的一对线发送一对线接收)。由于每对线缆本身不进行双向的传输，线缆之间的串扰就大大降低，同时其编码方式也相对简单。这种技术对网络的接口要求比较低，不需要非常复杂的电路设计，降低了网络接口的成本。但由于使用线缆的效率降低了(两对线收，两对线发)，要达到1000Mbps的传输速率，要求带宽就超过100MHz，也就是说在五类和超五类的系统中不能支持该类型的网络。一定需要六类系统的支持。1.2 网口特性1.2.1 PHY 与以太网的接口（MDI）（媒介支持接口）PHY =PHYSICAL LAYER DEVICE 即物理层器件。此规范中提到的PHY是指专用于以太网，支持IEEE 802.3 100Mbps 物理层应用的收发器。即通过双绞线可使用在100Mbps(100BASE-TX)以太网的物理层器件。图一：典型PHY接口图TD = 信号传输器 outputRD = 信号接收器 inputBALUN = 平衡器或隔离耦合变压器 N = 1:1 同相双绞线 = UTP5MDI = 媒介支持接口50 = CMOS电路匹配电阻75 = UTP5耦合泻放电阻104 = RC串联端接匹配电容102 = UTP5耦合能量泻放电容1.2.2 工作原理典型的PHY之间的连接主要由TD电路、阻抗匹配电路、BALUN、RJ45、UTP5、RD电路等几部分组成。假设A+/-上输出正逻辑，则在BALUN前级产生顺时针方向的电流，后级感生逆时针方向电流。因BALUN的匝比为1：1，则前后级电压幅值相同；因BALUN的线圈属同名，则电流方向相反。经过双绞线传输后再经过一级BALUN转换，BALUN后级得到一个顺时针方向的电流。由于此级线圈属于电流源，线圈的上端电势高于下端，则B+/-上检测到正逻辑。A、 TD电路输出差分信号，信号典型幅值在2.2 2.8v之间（电压值根据参照的10BASE-T和100BASE-TX也有一定差异）；A+ A-时，表示正逻辑（即1），反之表示负逻辑（即0）。B、 匹配电路是为了配合TD和RD电路的阻抗特性，最大程度避免因传输造成的共模骚扰和信号反射，所以采用100ohm差分阻抗网络匹配。差分信号在TD和RD之间属于无损传输，即理想条件下A+/-的信号会100%传输到B+/-端，中间没有电压降，只有传输的延时。由于实际非理想无损传输网络，T+t时刻输出端会不同程度的接收到由输入端反射回的T时刻输出信号。若输出端接收到反射电压值超过输入门限阀值，会造成输出逻辑错误，则匹配电路在传输网络中非常关键。C、 RD电路接收差分输入信号，逻辑关系同TD电路。D、 双绞线作为100BASE-TX协议下网络传输媒介，其中常规的种类有UTP3、UTP4、UTP5，UTP5最为常见。E、 BALUN即不平衡变压器，其作用a、隔离MDI接口内部和外部信号；b、实现阻抗变换传递；c、通常网络端口使用的BALUN内部会集成一个4线的共模抑制电感，以减少传输线上的共模骚扰溢出；d、增加回波损耗。1.2.2.1 PHY的MDI接口的要求PHY的MDI接口通过隔离变压器和RJ45后与网线相接，主要目的是为了实现电气隔离和对电磁干扰的屏蔽。在IEEE 802.3中明确指出MDI接口要承受波形1.2/50us，电压2400V，正负极性各十次，间隔时间不短于1s的浪涌测试。1.2.3 MDI接口连接器MDI接口连接器即下图中我们常用的RJ45插座和水晶头。1.3 网口适用测试标准网口最大传输距离达到100m，其接口电路通常需要通过以下端口测试：ESD、EFT、SURGE、传导抗扰度等，并根据不同设备供电方式及行业标准不同测试方法和等级不同。A、ESD测试B、EFT测试C、射频场感应的传导骚扰抗扰度测试D、SURGE测试 1.4 网口通讯典型电路1.4.1 常规网口电路设计常规网口电路1.4.1.1 设计要求A、 PGND网络不能悬空。B、 RJ45-pin4、5、7、8不能悬空，否则对网线传导骚扰指标有影响。C、 75R电阻必须使用0805封装。D、 102电容必须使用Y2型安规电容（耐压2.5kv，失效模式为开路）。E、 初级线圈抽头并联在一起，次级线圈抽头可并联在一起，但初/次级抽头不能前后并联连接。F、 次级线圈抽头连接偏置电压，需并联去耦电容103/104均可。G、 RJ45外壳若为金属壳，其外壳插座在PCB板上必须和PE连接。1.4.1.2 性能特点A、 标准鲍勃史密斯平衡网络电路，所有元件成熟，成本低。B、 绝缘强度：网络变压器前后两级之间满足1.5kv（AC）要求，此规格需要网络变压器支持，通常公司库中网络变压器均满足此要求。C、 此结构电路不具备共模/差模雷击浪涌防护能力，在常规应用中仅能承受数次1kv以下共模雷击浪涌冲击，失效机率很高。D、 RJ45金属外壳接地后，接触放电满足6KV要求。1.4.2 防雷型网口电路设计一（推荐电路）防雷型网口电路一1.4.2.1 设计要求A、 PGND网络不能悬空。B、 RJ45-pin4、5、7、8不能悬空，否则对网线传导骚扰指标有影响。C、 75R电阻必须使用0805封装。D、 102电容必须使用Y2型安规电容（耐压2.5kv，失效模式为开路）。E、 GDT选型直流动作电压大于400VDC，最大通流量不小于500A。F、 初级线圈抽头并联在一起，次级线圈抽头可并联在一起，但初/次级抽头不能前后并联连接。G、 次级线圈抽头连接偏置电压，需并联去耦电容103/104均可。H、 RJ45外壳若为金属壳，其外壳插座在PCB板上必须和PE连接。I、 靠近PHY芯片侧增加钳位管及TVS管器件。钳位管BAV99配合TVS管整体方案成本较低；钳位管集成阵列整体集成度高，体积小，适合高密度产品。（备选，若PHY芯片或layout设计可靠性高时，可不增加此部分电路）J、 网络变压器初级抽头必须全部并联在一起，在75R和102电容串联回路并联气体放电管，气体放电管必须为直流放电电压不小于400VDC。气体放电管连接到网络变压器各抽头的走线，需要保证1-1.5mmPCB走线宽度，并且此网络与初级网络保持不小于1mm间距，与次级网络保持不小于2mm间距。1.4.2.2 性能特点A、 标准鲍勃史密斯平衡网络电路，所有元件成熟，成本低。B、 绝缘强度：网络变压器前后两级之间满足1.5kv（AC）要求，此规格需要网络变压器支持，通常公司库中网络变压器均满足此要求。C、 此结构电路共模雷击浪涌满足6KV要求，差模防护满足1.5kv要求。共模雷击浪涌可靠性高，其性能已满足IEC测试要求，成本低，电源体积小。D、 RJ45金属外壳接地后，接触放电满足6KV要求。1.4.3 防雷型网口电路设计二防雷型网口电路二1.4.3.1 设计要求A、 PGND网络不能悬空。B、 RJ45-pin4、5、7、8不能悬空，否则对网线传导骚扰指标有影响。C、 75R电阻必须使用0805封装。D、 102电容必须使用Y2型安规电容（耐压2.5kv，失效模式为开路）。E、 固体放电管选用直流动作电压400VDC，最大通流量需满足400A。此器件也可用GDT替换，GDT特性满足直流动作电压大于400VDC，最大通流量满足400A。F、 初级线圈抽头并联在一起，次级线圈抽头可并联在一起，但初次级抽头不能前后并联连接。G、 次级线圈抽头连接偏置电压，需并联去耦电容103/104均可。H、 RJ45外壳若为金属壳，其外壳插座在PCB板上必须和PE连接。I、 PHY芯片前端增加钳位管及TVS管器件。钳位管BAV99配合TVS管方案成本较低；钳位管集成阵列整体集成度高，体积小，适合高密度产品。（为提高差模防护能力必须设置此部分电路）J、 网络变压器初级每根线上串联5ohm电阻，其作用是在受雷击浪涌时起到部分退耦作用，并且使固体放电管更早动作。K、 网络变压器初级固态放电管尽量靠近RJ45插座布置，固态放电管到PE网络走线宽度不小于2mm。1.4.3.2 性能特点A、 1、标准鲍勃史密斯平衡网络电