如果您的大部分职业生涯都在从事PCB设计，并且有计算机接口的布局和路由经验，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。并不是说这些笔记总是错的，但这些建议很容易被断章取义。
一位同事向我提出的一个建议是，在离散磁体和连接器之间布线时，使用RJ45连接器下面的接地平面。一些应用说明建议将系统接地平面直接运行到RJ45连接器，一些应用说明建议将接地平面划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，接地平面应完全从PHY，磁性和/或RJ45插孔下面省略。
那么，哪个是正确的呢?与我一起工作的设计师，以及我们最近工作的电路板，总是包括一个系统平面，机箱切口一直延伸到RJ45的边缘，即使多个连接器并联放置也不例外。当我在论坛上查看不同的建议时，其他专业设计师声称他们从未遇到过移除共模扼流圈输出端和RJ45之间的所有地平面区域的问题。让我们更深入地研究一下，看看我们是否能理解这些差异是在哪里产生的，以及什么时候在RJ45连接器下使用连续平面、分割平面或没有平面是合适的。
以太网的布局和接地平面的功能
为了进一步了解以太网系统和连接器的不同部分下面的接地平面的概念，让我们简要地看看以太网和RJ45连接器的路由要求。以太网系统由MAC/PHY接口(通常集成到单个集成电路中)、用于共模噪声抑制和终止的磁电路、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。被动式的数量、值和排列取决于确切的路由标准(例如，Base-T vs.以太网功率)和PHY接口。
MAC/PHY、磁路和RJ45连接器之间的线路被路由为具有定义阻抗的差动对。请注意，这包括离散磁路中的迹线。微分阻抗设置为100欧姆，以匹配电缆的微分阻抗。更短的走线通常是首选，特别是在更高的频率(例如，千兆以太网或更高)，以减少损耗。每个使用以太网的人都非常清楚这些需求。
围绕地平面(或多个平面)的争议始于放置离散磁体和与PHY和RJ45连接器有关的终端所需的任何其他组件。一般有三种可能:
选项1:运行系统接地到RJ45连接器，不管磁性是否集成到连接器中;或
选项2:使用分割接地平面，其中机箱接地位于RJ45下方，系统接地运行到共模扼流圈的输入边缘;或
选项3:电磁输入端子和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:接地平面中随机位移电流(噪声)在共模扼流圈附近的表现如何，磁性是否集成到连接器中，以及在磁性和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/过电压保护。802.3标准规定以太网PHY必须与系统的其余部分隔离，以便在60秒内承受高达1500 V(RMS)、50至60 Hz的高电位交流。
设计目标2:噪声隔离。电缆上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。任何地面区域的共模噪声都应通过低阻抗路径从磁侧和PHY侧转移出去。
所有这些设计目标都可以通过选项1-3的不同方式来实现。多个接地面的排列/耦合，或单个连续接地面的使用，将决定隔离级别、ESD保护和传播噪声电流所看到的阻抗。为了更好地理解选项1-3，让我们看看对于具有分立和集成磁性的RJ45连接器需要如何安排接地。
集成磁学与离散磁学
下图(图1)显示了100mbps以太网的示例原理图，在PHY附近使用典型的上拉电阻方案进行终止，并在变压器的中心抽头[1]处对共模噪声进行分流连接。此原理图旨在显示用于离散磁性的接地区域的位置，但它也适用于具有集成磁性的RJ45连接器。
PHY输出与磁输入之间的距离应至少为25mm。这里的目的是在磁性和PHY之间提供足够的隔离，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，共模电容器也可以放置在末端丝锥上，作为在磁输入处与系统地的分流器，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，从连接器外壳没有机箱接地连接。注意，STP电缆需要与屏蔽型RJ45连接器一起使用，而UTP电缆可以与屏蔽型或非屏蔽型RJ45连接器一起使用。在未屏蔽的电缆上使用屏蔽连接器在抑制电缆中接收的EMI方面不会产生任何好处，但在实际的以太网系统中也不会引起问题。
千兆级和更快的以太网将使用类似的方案，在磁中有四个差动对和共模扼流圈。Bob Smith端子几乎总是用于磁力变压器输出侧的中心抽头。一些人认为Bob Smith终止方案不是最好的选择，使用不同的终止方案[2]可以获得更低的回报损失。我不会在这里讨论这个问题，因为它已经足够深入，有必要单独写一篇文章。
对于集成磁性的RJ45连接器，系统接地平面应延伸至连接器边缘，为连接到连接器的差分线提供连续阻抗。系统平面也应该向上延伸到离散磁学;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地面，以进行ESD保护并提供高频噪声的屏蔽。这是有用的工业环境中，设备可能存在附近的高压电源或附近的无线电设备。
我所看到的许多应用笔记都指出，在磁性下面的区域不应该被地平面填充。这就留下了以太网路由中最后一个未回答的问题和争论的来源:我们是否在磁输出和RJ45之间扩展一个地面区域(系统和/或机箱)?
机箱和系统地面布局
选项1
可视化选项1相当简单:只需在第二层中运行系统地平面。系统接地将在磁极下面运行，并延伸到RJ45连接器。一个屏蔽连接器将坐在机箱和机箱，因此其内部屏蔽将参考回系统地面。
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。提供一个低阻抗的返回路径回到机箱，最终电源返回点仍然提供ESD保护和噪音接收器。
理想情况下，您希望噪声电流沿定向路径返回地面，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侧将以电容或电感方式进行。理想情况下，磁性元件应具有低漏感和低漏容/寄生电容回地平面。对于低速以太网，由于载频较低，漏感将主导噪声传输。相比之下，电容寄生将在较高的以太网速度中占主导地位，因为载频较高。
为了满足选项1的所有三个设计目标，这需要将组合系统平面以非常低的阻抗连接到机箱。在我看来，这种方法最适合集成屏蔽RJ45连接器，因为ESD脉冲或噪声可以立即分流回机箱。但是，不需要直接连接到屏蔽RJ45;一个人会期望一个无屏蔽RJ45连接器工作良好，只要有一个低阻抗连接到机箱。
请注意，如果没有正确规划返回路径，连续地平面会以数字部分和模拟部分之间的干扰的形式引起EMI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环路，当系统平面和机箱[3]之间存在很强的地面反弹潜力时，就会产生一个潜在的大型散热器。
在这里，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在相同的电位?底盘地面区域应与其他地面连接，以消除这些区域之间的潜在差异。这可以通过低阻抗路径来实现;简单到机械地将系统平面固定到机箱或在机箱和系统接地区域之间使用0欧姆电阻就足够了。放置高压电容器是桥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，你可能会在两个部分之间创建一个大的回路电感返回路径。
图3的一个变体是简单地使用一个连续的地平面，为共模扼流圈切出一个大洞。不要这样做:您已经创建了一个大的导体环，可以接收EMI并在系统的关键区域(即共模扼流圈之后)诱导共模噪声。基本上，您已经将总共模抑制比(CMRR)减少了一半。
选项2的另一个变体如图4所示。这包括在系统地平面上放置一个接地切口，一直延伸到单板边缘，然后在RJ45连接器下面放置一个机箱层。然后，Bob Smith终端网络被放置到一边，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一个0欧姆电阻或内部通孔。然后，RJ45连接器护罩可以直接引用到机箱地平面。
然后将机箱与低阻抗路径连接回系统地。我已经看到应用程序说明，应使用0欧姆电阻，而其他人则建议使用电容器(见[4])。从防静电的角度来看，最好的连接方式是将它们机械地绑回机箱上。同样，如果不仔细规划返回路径，我们也有可能在磁场附近存在地电流，并在PHY附近诱导噪声。
选项3
最后，让我们看看选项3。对于集成磁性元件，系统接地将一直延伸到连接器的边缘(见图2，右侧面板)，因此选项3仅适用于具有离散磁性元件的布局。在这种情况下，在离散磁输入和连接器输入之间没有地平面;你有微分对与控制阻抗，但没有屏蔽从地平面。
你仍然需要在整个系统中提供一个统一的参考势。典型的建议是使用高压电容器桥接两个区域，如选项2所示。您唯一的其他选择是在机箱和系统地面之间使用长路径进行直接连接，类似于图3中描述的图像。
我有一个问题，删除磁铁和RJ45连接器之间的接地平面是差分对之间的差分串扰的潜力。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，而且它会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上。此外，这部分电路下面没有任何接地可能会产生图3所示的相同的返回路径问题;有一个风险，创建一个大回路电感返回路径的噪声。
尽管我对选项3有意见，但使用它是有动机的，众所周知，它可以按照设计工作，并通过EMC测试。对于屏蔽型RJ45，静电放电电流可以直接放电到机箱中，而不是直接放电到机箱接地平面。底盘和系统地平面之间的大物理分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。如果布局得当，只要有低阻抗路径返回电源，这就允许在接地区域的连接器一侧的噪声电流从磁性和PHY转移开。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。由于需要ESD保护，我不太愿意在选项3中使用非屏蔽RJ45。
其他糟糕的接地建议
您将看到的另一种常见的系统接地建议是在PHY输出处将地平面物理分割为数字和模拟区域。确保这两个平面之间一致地电位的典型方法是用旁路电容器连接模拟和数字平面。我经常在其他情况下看到这个建议，我发现这个建议是不必要的。
在分割的数字平面和模拟平面之间使用旁路电容器是为了在不同部分之间提供返回路径，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，这增加了外部EMI和内部串扰的敏感性。如果你正确规划了你的返回路径，你不需要使用分割平面或旁路电容器。感兴趣的读者可以参考本杂志的其他文章，了解更多关于返回路径和环路电感[5]。
最终的想法
综上所述，RJ45连接器布局的重点围绕低回路电感的适当接地、足够的电磁干扰屏蔽、ESD隔离和电路板返回路径规划。从回路电感和EMI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，只要接地安排设计合理，选项3可以说是最好的，尽管存在在系统中产生大回路电感路径的共模噪声的危险。
如果在上述任何选项中使用屏蔽RJ45，重要的一点是确保连接器屏蔽与机箱的连接具有非常低的阻抗，然后需要到系统地的低阻抗路径。还要确保机箱和输出变压器中心丝锥之间的路径具有足够低的阻抗，以稳定直流偏置，并最小化机箱、RJ45连接器屏蔽和系统地之间的任何电压差。对于非屏蔽RJ45来说，这是一个有争议的问题;简单地专注于底盘和系统之间的低阻抗连接，以提供ESD保护，噪声隔离，以及低阻抗路径噪声远离磁性和PHY。总而言之:
- 如果布局得当，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。
- 众所周知，选项3可以很好地用于隔离和EMC，只要没有接收EMI的大回路电感路径。这可能需要更紧密的差分对间距，以降低噪声敏感性，同时保持100欧姆的差分阻抗。
- 方案2是方案1和方案3的混合体，取决于移除多少地面;你必须平衡地平面间隙，而不是用低阻抗路径将接地绑在一起。
与我一起工作的设计人员选择使用图4中的切割方法(离散磁性的选项2)将接地平面连接到RJ45连接器，或者只是将系统接地到RJ45(不管磁性放置)。这两种设计都可以确保机箱和系统接地之间的低回路电感路径，并且它提供了与共模扼流圈后区域内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面层填充地面来增加，然后将其绑回系统地面。为了使其正常工作，在布局和布线过程中需要仔细规划返回路径，但是如果你正确地做了所有事情，在共模阻塞之后，可以从其他电路块接收更少的共模噪声。如果你喜欢，你可以在应用笔记中使用其他方法，但要小心回路电感和电路板中的返回路径规划。
参考文献
- 工业以太网PHY:布局建议和设计规则(Single PHY ASSP)。Renesas，应用说明R19AN0014ED0102 (Rev. 1.2)， 2013年7月1日。
- Satterwhite, J. Bob Smith，终止vs .正当终止。Teltest电子实验室公司，2004年1月30日。
- 克里希南，S，丹南，B。地面弹跳如何毁了你的一天．信号完整性日志2020年2月20日。
- 德州仪器。TLK1XX设计和布局指南。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．信号完整性日志2018年1月16日。
