网口设计时布局布线要怎么处理？为什么变压器要掏空隔离？为什么网口中心抽头的电容要尽可能短？网口的组成和信号组成是什么？

来自专治PCB疑难杂症主群（群友突破1200人啦，添加杨老师微信号Johnnyyang206，可添加入群）的疑难杂症：网口设计时布局布线要怎么处理？为什么变压器要掏空隔离？为什么网口中心抽头的电容要尽可能短？网口的组成是什么？

杨老师分析：PCB设计中，掌握信号流和电源树是非常重要的，你要知道信号从哪里来，到哪里去；电源从哪里进从哪里出，给哪些器件用？

所以网口的设计也是一样，我们首先要知道网口的组成。

以太网大家应该都很熟悉：有网口，变压器，PHY芯片，主芯片等构成，当然还有一种找不到变压器的情况，那可能就是集成了。

第一种：

 

第二种：

 

当然还有第三种情况，就不介绍了，有的硬件或者EMC考虑到防护设计，会在网口电路中加入一级或者多级防护电路。这个一般是硬件或者EMC考虑的事，PCB设计者当然懂得也更好。如果增加了防护设计，按信号流向处理即可。

 

关于这个PHY和MAC还是杨医生觉得还是要解释下：

以太网接口可分为协议层和物理层。 协议层是由一个叫MAC(Media Access Layer，媒体访问层)控制器的单一模块实现。 物理层由两部分组成，即PHY(Physical Layer，物理层)和传输器。 例如我们常见的网卡芯片都是把MAC和PHY集成在一个芯片中，但目前很多主板的南桥芯片已包含了以太网MAC控制功能，只是未提供物理层接口，因此，需外接PHY芯片以提供以太网的接入通道。

 

 

接下来就是认识网口传输的信号。

网口我们现在常见的有百兆网口，千兆网口两种，细心的设计者会发现百兆网口是只有两对差分的，一对收，一对发；但是千兆网口往往有四对差分，两对收，两对发。这里的差分信号就是TX,RX。

 

从PHY到主芯片的信号我们也可以大致了解，PHY芯品通过不同的接口（SI/MII/GMII）配合不同的晶振（时钟）进行信号的传输。For example:

 

 

有了这些基础，那PCB上的布局布线就非常之easy了。先上图再分析

 

依照上面大致的布局图我们可以得出以下注意事项（整个布局思路从RJ45连接器到MAC，按顺序说明，大家布局时可参考）：

1，首先看RJ45，一般都是定位器件， 靠近板边放置。这个是常规布局，根据结构要求来放置即可。

 

2，RJ45和变压器之间的距离尽可能的短，器件布局的原则是通常按照信号流向放置，切不可绕来绕去；建议长度小于1000mil。

 

3，网口变压器的放置方向位置初次级需要完全隔离开来。

 

4，变压器初级端由电容电阻组成的电路是专用的bob smith电路，需要靠近放置。

bob smith电路作用：通过一个网络变压器+Bob Smith匹配，其作用网络变压器主要有信号传输、阻抗匹配、网络变压器主要有信号传输、阻抗匹配、波形修复、信号杂波抑制和高电压隔离等作用。而Bob Smith 电路的作用是为了改善端口EMC的差模，共模阻抗匹配的端接处理方式。这种电路能有效的滤除共模干扰，该电路可以降低10dB左右的EMI衰减。

 

5，变压器次级端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；

 

6，PHY芯片模块的方向最好正对着变压器，尽可能靠近的放置，以保持接口芯片固有的A/D隔离，另外路径的最短话可以做到平衡走线，减少干扰信号向板内耦合。

 

7，Phy芯片中的晶振远离接口、PCB边缘和其他的高频设备、走线或磁性元件周围。

 

接着我们来看看布线上的问题:

1，关于网口变压器两端的GND处理，常规是净空，即网口部分所有层挖空，变压器下方挖空。

 

业界还有一种情况：

变压器的两边做割地处理：即RJ45连接座和变压器的次级线圈用单独的隔离地，隔离区域100mil以上，且在这个隔离区域下没有电源和地层存在。

反正核心原理就是：做好隔离，避免耦合！毕竟外来的还是不干净的。

 

2，另外一个最优先处理的信号：差分信号。

其一，以太网的信号线是以差分对（Rx±、Tx±）的形式存在，差分线具有很强共模抑制能力，抗干扰能力强；尽量保持差分对平行、等长、短距，避免过孔、交叉。

 

其二，初级的网口差分信号可适当加粗抗干扰，无需控制阻抗。但次级端需要需对Rx±、Tx±差分对进行阻抗控制，通常阻抗控制在100Ω±10%。

 

其三，做对内等长，由于管脚分布、过孔、以及走线空间等因素存在使得差分线长度不匹配，时序会发生偏移，还会引入共模干扰，降低信号质量。相应的要对差分对不匹配的情况作出补偿，使其线长匹配，长度差通常控制在5mil以内，补偿原则是哪里出现长度差补偿哪里；

 

其四,  附近不要有其他高速信号线，做好间距要求，提高抗干扰能力。

 

3，PHY芯片到MAC芯片的信号做组间等长处理，参考时钟，控制范围可在+-50mil。 具体哪些信号需要控等长，请参考之前疑难杂症。点击进入：

这组Bus到底要不要绕等长？

 

4，其他如电容放置fanout，晶振电路设计，灯信号处理等等，按常规要求处理好。

 

其他一些相关问题答疑：

1、中间抽头为什么有些接电源？有些接地？

这个主要是与使用的PHY芯片UTP口驱动类型决定的，这种驱动类型有两种，电压驱动和电流驱动。电压驱动的就要接电源；电流驱动的就直接接个电容到地即可！所以对于不同的芯片，中心抽头的接法，与PHY是有密切关系的，具体还要参看芯片的datasheet和参考设计了。为什么接电源时，又接不同的电压呢？这个也是所使用的PHY芯片资料里规定的UTP端口电平决定的。决定的什么电平，就得接相应的电压了。即如果是2.5v的就上拉到2.5v，如果是3.3v的就上拉到3.3v。

 

2，空间不足，变压器是否可以不接？接了为什么要掏空？

从理论上来说，是可以不需要接变压器，直接接到RJ45上，也许能正常工作的。但是传输距离就很受限制，而且当接到不同电平网口时，也会有影响。而且外部对芯片的干扰也很大。当接了网络变压器后，它主要用于信号电平耦合。其一，可以增强信号，使其传输距离更远；其二，使芯片端与外部隔离，抗干扰能力大大增强，而且对芯片增加了很大的保护作用（如雷击）；其三，当接到不同电平（如有的PHY芯片是2.5V，有的PHY芯片是3.3V）的网口时，不会对彼此设备造成影响。至于掏空的原因是为了防止变压器转换的时候影响下面的电源和地。

 

好了，今天的疑难杂症就分析到这里，网口设计的你之前就没有问题，再加上这篇解析，相信可以说到：网口给我设计，我相信我可以再赢一次！

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整理：杨老师   

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