如果您在职业生涯的大部分时间都在从事PCB设计，并且对计算机接口的布局和路由有经验，那么您知道一件事是正确的:对组件应用程序笔记中的建议持保留态度。并不是说这些建议都是错误的，但是这些建议很容易被断章取义。
一个同事向我提出的建议是，在离散磁性和连接器之间布线时，使用RJ45连接器下面的地平面。一些应用说明建议将系统接地面直接运行到RJ45连接器，一些应用说明建议将接地面分为系统和机箱部分，以提供更强的隔离。应用说明中的一些建议指出，接地平面应该完全从PHY、磁性和/或RJ45插孔下面省略。
那么哪种说法是正确的呢?和我一起工作的设计师，以及我们最近工作的板，总是包括一个系统平面，机箱切割到水晶头的边缘，即使当多个连接器平行放置。当我浏览论坛上的不同建议时，其他专业设计师声称他们从未遇到过删除共模扼流圈输出端和RJ45之间的所有地平面区域的问题。让我们深入研究一下，看看我们是否能理解这些差异在哪里产生，以及什么时候在RJ45连接器下有连续平面、分割平面或无平面是合适的。
以太网的布局和接地面的作用
为了进一步了解以太网系统和连接器的不同部分下面的地平面的概念，让我们简单地看看以太网和RJ45连接器的路由要求。以太网系统由MAC/PHY接口(通常集成到单个IC中)、用于共模噪声抑制和终止的磁路、用于终止的其他无源(通常是上拉或Thevenin终止)和RJ45连接器组成。Rx和Tx线在整个系统中并行路由。被动的数量、值和排列取决于确切的路由标准(例如，Base-T vs.以太网上的功率)和PHY接口。
MAC/PHY、磁路和RJ45连接器之间的迹线被路由为具有定义阻抗的微分对。注意，这包括离散磁路中的迹线。差动阻抗设置为100欧姆，以匹配电缆的差动阻抗。较短的跟踪通常是首选的，特别是在更高的频率(例如，千兆以太网或更高)，以减少损失。使用以太网的每个人都非常清楚这些需求。
围绕地平面(或多个平面)的争议始于离散磁性和任何其他组件的放置，以相对于PHY和RJ45连接器的终止。一般有三种可能:
选项1:将系统接地至RJ45连接器，无论连接器中是否集成了磁性;或
选项2:使用分离式接地平面，其中机箱接地位于RJ45的下方，系统接地运行到共模扼流圈的输入边缘;或
选项3:在电磁输入和RJ45连接器之间不要设置接地平面。
这个问题的答案取决于以下几点:接地上的随机位移电流(噪声)如何在共模扼流附近表现，磁铁是否集成到连接器中，以及磁铁和RJ45之间是否需要机箱接地以确保EMI保护和隔离。
在我们查看这些选项中哪一个客观上最适合PHY、磁性和RJ45连接器之间的路由之前，它有助于回顾总体设计目标:
设计目标1:ESD/过压保护。802.3标准规定以太网PHY必须与系统的其他部分隔离，以承受高达1500 V(RMS)的高电位交流，以50到60 Hz持续60秒。
设计目标2:噪声隔离。在电缆上拾取的任何噪声都应该防止耦合回PHY和板的其余部分。
设计目标3:共模噪声分流器。任何接地区域的共模噪声都应该通过低阻抗路径远离磁性和PHY侧。
所有这些设计目标都可以通过选项1-3以不同的方式解决。多个接面层的布置/耦合，或使用单个连续接面层，将决定隔离级别、ESD保护和通过传播噪声电流看到的阻抗。为了更好地理解选项1-3，让我们看看接地需要如何安排为RJ45连接器与离散和集成磁性。
集成与离散磁性
下图(图1)显示了100mbps以太网的示例示意图，在PHY附近使用典型的上拉电阻方案作为终端，并在变压器的中心抽头[1]处对共模噪声进行分流连接。此原理图旨在显示离散磁性的接地区域的位置，但它也可以应用于集成磁性的RJ45连接器。
PHY输出与电磁输入之间的距离应至少为25毫米。这里的目的是在磁性和PHY之间提供充分的隔离，尽管使这些线太长会导致更大的衰减，而且这种衰减在更高的频率下更大。在这两种类型的连接器中，共模电容也可以放置在末端丝锥上，作为磁输入到系统接地的分流器，以提供更大的高频噪声抑制。
上图显示了一个屏蔽RJ45连接器，其中屏蔽连接到机箱接地旁边的鲍勃史密斯终端电阻。如果我们有一个非屏蔽RJ45，从连接器护罩没有机箱接地连接。注意，STP电缆需要与屏蔽RJ45连接器一起使用，但UTP电缆可以与屏蔽或非屏蔽RJ45连接器一起使用。在非屏蔽电缆上使用屏蔽连接器在抑制电缆接收到的电磁干扰方面不会产生任何好处，但在实际的以太网系统中也不会造成问题。
千兆以太网和更快的将使用类似的方案，在磁学中有四个差分对和共模扼流圈。Bob Smith终端几乎总是用于磁性变压器输出侧的中心丝锥。有些人认为Bob Smith终止方案不是最好的选择，可以通过不同的终止方案[2]来实现更低的回报损失。我不打算在这里讨论这个问题，因为它已经深入到足以用一篇文章来说明了。
对于具有集成磁性的RJ45连接器，系统接地面应延伸到连接器的边缘，为进入连接器的差分线提供连续阻抗。系统平面也应该运行到离散的磁性;这与[1]中的建议一致。在这两种类型的连接器中，如果连接器是屏蔽的，那么连接器屏蔽将连接到机箱接地进行ESD保护并提供高频噪声屏蔽。这在工业环境中很有用，因为设备可能位于高压源或无线电设备附近。
我看过的许多应用注释都说，在磁性下面的区域不应该被地平面填充。这就留下了最后一个没有回答的问题和以太网路由中争论的根源:我们是否在磁输出和RJ45之间扩展一个接地区域(系统和/或机箱)?
底盘和系统地面布局
选项1
选项1相当简单:只需在整个第二层运行系统接地平面。系统接地将运行在磁铁的下面，并延伸到RJ45连接器。屏蔽连接器将靠在机箱和外壳上，因此其内部屏蔽将参考回系统接地。
选项1的反对意见是,系统的噪声电流连接器地区地面飞机可以夫妻共模噪声回PHY一边通过耦合到磁学组件(设计目标2和3)。这里的其他异议与设计目标1:以太网PHY应该是电气隔离,从系统的其余部分在802.3标准,和地平面提供了一个低阻抗路径的ESD脉冲到达PHY和其他组件。提供一个低阻抗返回路径返回到机箱，最终电源返回点仍然提供ESD保护和噪声接收器。
理想情况下，您希望噪声电流沿着有方向的路径返回地面，而不是通过隔离屏障耦合。共模噪声从地平面耦合回磁性并进入系统平面的PHY侧将电容性或电感性完成。理想情况下，磁性元件应具有低的漏电感和低的漏电容/回接面的寄生电容。在低速以太网中，由于载频较低，噪声传递主要受漏感影响。相反，由于载频较高，电容寄生将在较高的以太网速度中占主导地位。
为了满足选项1的所有三个设计目标，这要求组合系统平面与底盘的阻抗非常低。在我看来，这种方法与集成屏蔽RJ45连接器工作最好，因为ESD脉冲或噪声可以立即分流回机箱。然而，直接连接到屏蔽RJ45是不需要的;人们会期望一个非屏蔽RJ45连接器工作良好，只要有一个低阻抗连接到机箱。
注意，如果返回路径没有正确规划，连续地平面会以数字和模拟部分之间的干扰的形式导致电磁干扰问题。此外，将平面上的多个点连接回机箱可以允许电流通过机箱形成一个循环，当系统平面和机箱[3]之间有很强的地面反弹电位时，创建一个潜在的大散热器。
在这里，您有两个独立的接地部分:系统接地和PCB中连接到机箱接地的平面区域。你如何确保它们保持相同的电位?底盘接地区域应与其他接地连接，以消除这些区域之间的潜在差异。这可以通过低阻抗路径完成;像机械固定系统平面到机箱或在机箱和系统接地区域之间使用0欧姆电阻这样简单的事情就足够了。放置高压电容是连接两个平面的另一种策略，同时引导高频噪声远离磁性。这样做的问题是，如果设计不当，您可能会在两个部分之间创建一个大的环路电感返回路径。
图3的一种变体是简单地使用一个连续地平面，为共模扼流圈切出一个大孔。不要这样做:您已经创建了一个大的导体环，它可以接收EMI，并在系统的一个临界区域内(即共模扼流圈之后)诱导共模噪声。你基本上已经将共模式拒绝比(CMRR)减少了一半。
选项2的另一个变体如图4所示。这涉及到在系统接地平面上放置一个接地切口，运行到板边缘，然后在RJ45连接器下面放置一个机箱层。然后将Bob Smith终端网络放置到一边，并连接回系统平面。两个平面部分可以设置为相同的直流电势与0欧姆电阻或内部通孔。RJ45连接器护罩可以被直接引用回机箱接地平面。
然后将机箱连接到系统接地的低阻抗路径。我看过应用笔记，说明一个0欧姆的电阻应该使用，而其他人推荐电容(见[4])。从ESD的角度来看，最好的连接是将它们机械地绑回机箱。同样，如果不仔细规划返回路径，我们有同样的潜在的地电流存在于磁性附近，并在PHY附近诱导噪声。
选项3
最后，让我们看看选项3。对于集成磁性，系统接地将运行到连接器的边缘(见图2，右面板)，因此选项3只适用于具有离散磁性的布局。在这种情况下，离散磁输入和连接器输入之间没有接地面;有阻抗受控的微分对，但没有接地平面的屏蔽。
你仍然需要在整个系统中提供一个统一的参考电位。典型的建议是用高压电容桥接这两个区域，如选项2所示。您唯一的其他选择是与机箱和系统地面之间的长路径直接连接，类似于图3中描述的图像。
我有一个问题与删除磁体之间的接地平面和RJ45连接器是潜在的差分串扰之间的差分对。对于千兆以太网(使用四个差分对)和更快的以太网来说，这将是一个更大的问题，而且它将在附近的信号线中引起噪声，特别是在具有多个以太网连接器的板中。此外，这部分电路下面没有任何接地，可能会产生如图3所示的相同的返回路径问题;存在为噪声创建一个大环路电感返回路径的风险。
尽管我对选项3的看法不同，但使用它是有动机的，而且众所周知它能按设计工作并通过EMC测试。对于屏蔽型RJ45设备，不需要将静电放电放电到单板的机箱接面层，而是直接将静电放电放电到机箱本身。底盘和系统接地面之间的大物理隔离可以提供更高的隔离，目标是超过802.3标准中的1500 V要求。如果布局正确，这允许在接地区域的连接器侧的噪声电流从磁性和PHY转移，只要有一个低阻抗路径返回到功率返回。在接收高频噪声和ESD方面，使用选项3中的屏蔽导体是更好的选择，因为它可以通过低阻抗连接直接集成到机箱中。因为需要ESD保护，我会犹豫使用选项3中没有屏蔽的RJ45。
其他不好的接地建议
你会看到的另一个常见的系统接地建议是物理上将地平面分割为数字和模拟区域，就在PHY输出处。确保这两个平面之间的一致地电势的典型方法是用旁路电容连接模拟平面和数字平面。我经常在其他情况下看到这个建议，我发现这个建议没有必要。
在分割的数字和模拟平面之间使用旁路电容是为了在不同的部分之间提供一个返回路径，但这可能会产生额外的EMI问题。特别是，通过旁路电容提供一个返回路径可以为模拟块中的电路创建一个大的环路电感，这增加了对外部EMI和内部串扰的敏感性。如果你正确规划你的返回路径，你不需要使用分割平面或旁路电容。有兴趣的读者可以参考本杂志的其他文章，了解更多关于回路路径和回路电感[5]的知识。
最终的想法
综上所述，RJ45连接器布局的要点主要围绕低环电感的适当接地、对EMI的充分屏蔽、ESD隔离和板上的返回路径规划。从回路电感和电磁干扰屏蔽的角度来看，选项1和2是最好的，尽管它们需要仔细的地板规划。从ESD的角度来看，选项3可以说是最好的，只要接地安排设计得当，尽管存在在系统中为共模噪声创建大环路电感路径的危险。
如果屏蔽RJ45被用于上述任何一种选择，重要的一点是要确保连接器屏蔽有一个非常低的阻抗连接到机箱，然后需要一个低阻抗的路径到系统接地。还要确保机箱和输出变压器中心抽头之间的路径具有足够低的阻抗，以稳定直流偏移，并最小化机箱、RJ45连接器屏蔽和系统接地之间的任何电压差。对于一个非屏蔽RJ45，这是一个有争议的点;只需关注底盘和系统之间的低阻抗连接，以提供ESD保护，噪声隔离，以及远离磁性和PHY的噪声的低阻抗路径。总而言之:
- 如果布局合理，选项1工作良好，即，如果存在足够低的阻抗路径，将噪声和ESD从磁性/PHY转移开。
- 只要没有接收EMI的大环路电感路径，选项3在隔离和EMC方面工作良好。这可能需要微分对之间更紧密的间距，以降低噪声敏感性，同时保持100欧姆的微分阻抗。
- 选项2是选项1和选项3的混合体，这取决于移除的地面面积;你将必须平衡地平面间隙，以防止用低阻抗路径将接地连接在一起。
我工作的设计师选择一个接地平面运行到RJ45连接器使用图4中的切割方法(离散磁性的选项2)，或只是运行系统接地到一个RJ45(不管磁性的放置)。这两种设计都可以确保底盘和系统接地之间的低环路电感路径，并在共模扼流圈之后的区域内提供与其他电路块的一定隔离。混合信号系统中的隔离可以通过在表层填地来增加，然后将表层填地与系统地面连接。为了使其正常工作，在布局和路由过程中需要仔细规划返回路径，但如果一切都做得正确，在共模阻塞之后，从其他电路块接收到的共模噪声会更少。如果你愿意，你可以在应用笔记中使用其他方法，但是要注意电路板上的回路电感和返回路径规划。
参考文献
- 工业以太网PHY:布局建议和设计规则(单PHY ASSP)。瑞萨，申请说明R19AN0014ED0102(修订版1.2)，2013年7月1日。
- 终止与正当终止。Teltest电子实验室公司，2004年1月30日。
- 克里斯南，S，丹南，B。地面弹跳如何毁了你的一天．信号完整性的杂志2020年2月20日。
- 德州仪器。TLK1XX设计与布局指南。申请报告SLVA531A, 2013年9月修订版。
- Simonovich B。分割平面和微带信号穿过它们时会发生什么．信号完整性的杂志2018年1月16日。
