【產(chǎn)品應(yīng)用】ePort-M PCB設(shè)計技巧與案例分享

為了讓ePort-M模塊的PCB設(shè)計更簡單，提高硬件直通率，本文將介紹ePort-M的PCB設(shè)計技巧，并通過實際案例說明PCB布局布線對ePort-M的影響。

產(chǎn)品簡介

在傳統(tǒng)方式的網(wǎng)絡(luò)通訊電路設(shè)計中，MCU的MAC控制器應(yīng)先通過RMII信號線連接至PHY芯片，再經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)變壓器連接至RJ45座子，設(shè)計過程復(fù)雜，對設(shè)計人員要求較高，且遇到問題需要改動時，非常不便。

ePort-M百兆以太網(wǎng)模塊采用RMII接口，內(nèi)部集成了PHY芯片與網(wǎng)絡(luò)變壓器，用戶使用時僅需完成MCU的MAC控制器和ePort-M模塊管腳之間的走線即可，使得網(wǎng)絡(luò)通訊電路設(shè)計簡單化，縮短了開發(fā)時間，降低了設(shè)計人員要求。

圖1 網(wǎng)絡(luò)通訊電路設(shè)計示意圖

??PCB設(shè)計技巧

在使用ePort-M進行PCB設(shè)計時，建議遵循以下幾點設(shè)計規(guī)則：

RMII信號線布線時需控制單端50歐阻抗匹配，避免阻抗不連續(xù)造成信號反射，影響通訊質(zhì)量；

RMII中TX組與REF_CLK的串聯(lián)匹配電阻（如圖2中的R5~R8）布局時應(yīng)靠近信號發(fā)射端即MCU端放置；

RMII走線間距建議至少保持2W，若受限PCB空間，應(yīng)優(yōu)先確保REF_CLK的間距要求；

RMII信號線以REF CLK時鐘線為基準進行等長布線，建議控制在200mil左右；

RMII信號線及MDC/MDIO應(yīng)遠離板上其它干擾源布線，如遠離開關(guān)電源等；

RMII信號回流平面應(yīng)完整；

當使用一路MDIO接口同時管理多路ePort-M時，MDIO走線推薦按圖3所示方式布線。

圖2 ePort-M典型應(yīng)用電路

圖3 MDC/MDIO推薦布線

? 案例分享

當PCB設(shè)計未能遵循上述設(shè)計規(guī)則時，可能會造成ePort-M模塊通訊異常，輕則速率達不到要求，重則無法ping通。下面以實際案例說明。某塊搭載雙路ePort-M模塊的工控底板在實際使用過程中，其網(wǎng)口無法正常通訊，出現(xiàn)頻繁Link Up與Down的情況，長ping測試結(jié)果如圖4所示。工控底板PCB布局布線如圖5所示。

圖4 工控底板網(wǎng)口長ping測試結(jié)果

圖5 雙路ePort-M工控底板PCB圖

經(jīng)分析，該底板PCB設(shè)計有以下幾點問題：

RMII中TX組信號線的串接電阻布局于ePort-M端，正常應(yīng)布局在核心板/MCU端（案例中REF_CLK串接電阻已集成在核心板上）；

同組RMII信號線布線間距過近，可能會造成線間干擾；

不同組RMII信號線相鄰層平行布線，可能會造成層間干擾；

RMII信號線未控制阻抗，會造成信號反射；

RMII、MDC/MDIO信號線布線與5V_DC-DC開關(guān)電源電路相鄰，導致RMII、MDC/MDIO受到干擾。

據(jù)此，我們采集了工控底板RMII各信號與MDC/MDIO的波形，發(fā)現(xiàn)MDIO信號波形有明顯異常，其波形如圖6所示。

圖6?工控底板的MDIO波形

進一步分析發(fā)現(xiàn)工控底板的MDIO脈沖頻率與DC-DC電源電路的開關(guān)頻率相近，測得其兩者波形如圖7所示，可見兩者具有強相關(guān)性。

圖7?DC-DC輸出信號與MDIO信號波形

對此情況，我們將DC-DC開關(guān)電源電路斷開，直接由外部電源供電，經(jīng)測試，兩路網(wǎng)均口能夠正常通訊，且通訊速率符合要求，通訊速率測試結(jié)果如圖8所示。

圖8 外部供電時網(wǎng)口通訊速率測試結(jié)果

通過上述案例可見，PCB布局布線對ePort-M模塊的通訊質(zhì)量具有較大影響，工程師在進行PCB設(shè)計時，應(yīng)滿足上文所述的設(shè)計規(guī)則。