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【产品应用】ePort-M PCB设计技巧与案例分享

2023/06/12
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为了让ePort-M模块的PCB设计更简单,提高硬件直通率,本文将介绍ePort-M的PCB设计技巧,并通过实际案例说明PCB布局布线对ePort-M的影响。

产品简介

在传统方式的网络通讯电路设计中,MCU的MAC控制器应先通过RMII信号线连接至PHY芯片,再经由网络变压器连接至RJ45座子,设计过程复杂,对设计人员要求较高,且遇到问题需要改动时,非常不便。

ePort-M百兆以太网模块采用RMII接口,内部集成了PHY芯片与网络变压器,用户使用时仅需完成MCU的MAC控制器和ePort-M模块管脚之间的走线即可,使得网络通讯电路设计简单化,缩短了开发时间,降低了设计人员要求。

图1 网络通讯电路设计示意图

  PCB设计技巧

在使用ePort-M进行PCB设计时,建议遵循以下几点设计规则:

RMII信号线布线时需控制单端50欧阻抗匹配,避免阻抗不连续造成信号反射,影响通讯质量;

RMII中TX组与REF_CLK的串联匹配电阻(如图2中的R5~R8)布局时应靠近信号发射端即MCU端放置;

RMII走线间距建议至少保持2W,若受限PCB空间,应优先确保REF_CLK的间距要求;

RMII信号线以REF CLK时钟线为基准进行等长布线,建议控制在200mil左右;

RMII信号线及MDC/MDIO应远离板上其它干扰源布线,如远离开关电源等;

RMII信号回流平面应完整;

当使用一路MDIO接口同时管理多路ePort-M时,MDIO走线推荐按图3所示方式布线。

图2 ePort-M典型应用电路

图3 MDC/MDIO推荐布线

  案例分享

当PCB设计未能遵循上述设计规则时,可能会造成ePort-M模块通讯异常,轻则速率达不到要求,重则无法ping通。下面以实际案例说明。某块搭载双路ePort-M模块的工控底板在实际使用过程中,其网口无法正常通讯,出现频繁Link Up与Down的情况,长ping测试结果如图4所示。工控底板PCB布局布线如图5所示。

图4 工控底板网口长ping测试结果

图5 双路ePort-M工控底板PCB图

经分析,该底板PCB设计有以下几点问题:

RMII中TX组信号线的串接电阻布局于ePort-M端,正常应布局在核心板/MCU端(案例中REF_CLK串接电阻已集成在核心板上);

同组RMII信号线布线间距过近,可能会造成线间干扰;

不同组RMII信号线相邻层平行布线,可能会造成层间干扰;

RMII信号线未控制阻抗,会造成信号反射;

RMII、MDC/MDIO信号线布线与5V_DC-DC开关电源电路相邻,导致RMII、MDC/MDIO受到干扰。

据此,我们采集了工控底板RMII各信号与MDC/MDIO的波形,发现MDIO信号波形有明显异常,其波形如图6所示。

图6 工控底板的MDIO波形

进一步分析发现工控底板的MDIO脉冲频率与DC-DC电源电路的开关频率相近,测得其两者波形如图7所示,可见两者具有强相关性。

图7 DC-DC输出信号与MDIO信号波形

对此情况,我们将DC-DC开关电源电路断开,直接由外部电源供电,经测试,两路网均口能够正常通讯,且通讯速率符合要求,通讯速率测试结果如图8所示。

图8 外部供电时网口通讯速率测试结果

通过上述案例可见,PCB布局布线对ePort-M模块的通讯质量具有较大影响,工程师在进行PCB设计时,应满足上文所述的设计规则。

 

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