以太网的EMC设计

2013-11-20,09:27:311以太网电接口采用UTP的EMC设计指导书2013-11-20,09:27:312目录前言..............................................................41范围和简介.........................................................51.1范围.........................................................51.2简介.........................................................51.3关键词.......................................................52规范性引用文件.....................................................53术语和定义.........................................................64UTP（非屏蔽网线）的介绍............................................6510/100BASE-T、1000BASE-T以太网电接口的共模噪声.....................7610/100/1000BASE-T以太网电接口电路设计..............................76.110/100/1000BASE-T以太网电接口原理图设计......................76.1.1网口变压器集成在连接器里的网口电路原理图................86.1.2网口变压器集成在连接器里的网口电路原理图................86.1.3网口指示灯电路原理图....................................96.1.4带滤波的10/100BaseT以太网口电路原理图..................106.1.5带滤波的1000BaseT以太网口电路原理图....................116.210/100/1000BASE-T以太网电接口PCB布局、布线..................126.2.1网口变压器没有集成在连接器里的网口电路PCB布局、布线规则126.2.2采用一体化连接器的网口电路PCB布局、布线规则............156.2.3其它的布局、布线建议...................................167实际测试案例：....................................................192013-11-20,09:27:3138结论:.............................................................229附录：............................................................2410参考文献........................................................262013-11-20,09:27:314前言本规范的其他系列规范：无与对应的国际标准或其他文件的一致性程度：无规范代替或作废的全部或部分其他文件：无与其他规范或文件的关系：无与规范前一版本相比的升级更改的内容：如果是升级规范，则一定要在此处详细描述本版本相对于上一版本更改的内容，如果是第一次制定，则填写“第一版，无升级更改信息”。本规范由XX部门提出。本规范主要起草和解释部门：本规范主要起草专家：格式（部门：姓名(工号)、姓名(工号)，部门：姓名(工号)、姓名(工号)......）本规范主要评审专家：格式（部门：姓名(工号)、姓名(工号)，部门：姓名(工号)、姓名(工号)......）本规范批准部门：XX部门本规范所替代的历次修订情况和修订专家为：规范号主要起草专家主要评审专家姓名(工号)、姓名(工号)姓名(工号)、姓名(工号)姓名(工号)、姓名(工号)姓名(工号)、姓名(工号)2013-11-20,09:27:31510/100/1000BASE-T以太网口采用UTP网线的EMC设计指导书1范围和简介1.1范围本规范规定了10/100BASE-TX、1000BASE-TX以太网口采用UTP网线的EMC电路设计，用以保证10/100BASE-TX、1000BASE-TX以太网口具有良好的EMC性能，使用UTP就能满足系统的EMC要求。本规范适用于具有110/100BASE-TX、1000BASE-TX以太网口的单板设计和已有单板的升级，以及现有未对10/100BASE-TX、1000BASE-TX以太网口进行EMC电路设计的产品的整改指导。1.2简介随着海外市场的拓展，特别是北美市场的介入，对产品使用UTP（UnshieldedTwistedPairs）电缆满足EMC性能的需求越来越急切。UTP电缆以价格便宜、重量轻，容易制作的优点，得到广大用户的青睐，应用十分普遍。但在应用UTP电缆的同时，EMC的问题就摆在我们面前了，需要尽快解决。大家都知道，UTP对于EMI有一定的抑制作用，但只局限于较低频率，在一篇文档上我看到是30MHz，也就是说，单靠UTP自身的共模抑制作用是不能满足RE性能的。UTP和以前我们使用的STP不同，STP网线的外面包有一层屏蔽编织网和铝箔，这些屏蔽层衰减、吸收了网线对外的辐射。10/100BASE-TX、1000BASE-TX以太网口在我司产品单板中的应用十分普遍，针对目前存在的以太网口使用UTP无法满足EMC性能要求的问题，特制订本指导书，目的在于规范设计，提高10/100BASE-TX、1000BASE-TX以太网口的EMC性能。在本规范中针对10/100BASE-TX、1000BASE-TX以太网口的器件、原理图和PCB提出了EMC设计建议，并根据产品的定位推荐使用的解决方案。由于技术的不断发展，本指导书也会根据实际情况进行相应的修改和补充，本设计指导书将进行不定期的修订，以最新的设计指导书为准。同时由于不同产品的的差异性，实际设计时，可考虑对指导书中电路的参数进行调整。1.3关键词EMC、网口变压器、PCB、以太网口、一体化连接器、UTP2规范性引用文件下列文件中的条款通过本规范的引用而成为本规范的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本规范，然而，鼓励根据本规范达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本规范。序号编号名称2013-11-20,09:27:3161CISPR22(1997)Informationtechnologyequipmentradiodisturbancecharacteristicslimitsandmethodsofmeasurement.2Fccpart153GR1089-COREElectromagneticCompatibilityandElectricalSafetyGenericCriteriaforNetworkTelecommunicationsEquipment4单板接口电路EMC设计指导书1.03术语和定义UTP：非屏蔽网线。PGND：设备金属外壳的保护接地，用于泄放故障电流和单板保护器件泄流通道。GND：设备功能电路的接地，是单板及母板上的数字地和模拟地的统称。EMC：(Electromagneticcompatibility)电磁兼容性EMI：(Electromagneticinterference)电磁干扰EMS：(ElectromagneticSusceptibility)电磁敏感度ESD：(Electrostaticdischarge)静电放电EFT/B：(Electricalfasttransientburst)电快速瞬变脉冲群Surge：浪涌RE：（Radiatedemission）辐射骚扰CE：（Conductedemission）传导骚扰CS：（ConductedSusceptibility）传导骚扰抗扰度RS：（RadiatedSusceptibility）射频电磁场辐射抗扰度MAC：媒体接入控制层，是数据链路层的子层。PHY：物理层4UTP（非屏蔽网线）的介绍非屏蔽网线由两根具有绝缘保护层的铜导线组成，两根绝缘铜导线按照一定密度绞在一起，这样可降低信号的干扰程度。每一根导线在传输中辐射的电波会与另外一根的抵消。UTP因为安装容易、重量轻、具有阻燃性等优点得到广泛应用。EIA/TIA为双绞线电缆定义了五种不同质量的型号，现在应用最多的是五类线，其最高传输速率100M，主要应用与十兆、百兆以太网。超五类线是相比五类线串扰更小、衰减更小的双绞线。用来衡量UTP的主要指标有：1、衰减：就是沿链路的信号损失度量。2、近端串扰：测量一条UTP链路对另一条的影响。3、直流电阻。4、衰减串扰比（ACR）。2013-11-20,09:27:3175、电缆特性。510/100BASE-T、1000BASE-T以太网电接口的共模噪声在10/100/1000BASE-T以太网接口中，与EMC关系最大的部分位于PHY芯片到连接器之间的部分，良好的PHY芯片可以大大降低EMI，提高EMS。10/100BASE-T、1000BASE-T接口的共模噪声频谱如下图所示：图1差分线输出共模噪声频谱图中蓝线和黑线分别代表100BASE-T和1000BASE-T的信号频谱，纵轴的大小反应了信号的强度。网口的EMI主要来自于差分信号线对以及变压器中心抽头的输出共模噪声，这些共模噪声在UTP中就会产生EMI。610/100/1000BASE-T以太网电接口电路设计目前以太网按照速率主要包括10M，10/100M，1000M三种接口，10M应用已经很少，基本为10/100M所代替。目前我司产品的以太网电接口类型主要是采用双绞线的RJ45接口，因此下面只讲述采用双绞线作为传输媒介，采用RJ45对外接口的10/100M，1000M网口基本原理、器件选型以及PCB设计方面的内容。设计时应考虑的因素。6.110/100/1000BASE-T以太网电接口原理图设计我司的产品广泛应用到了10/100/1000BASE-T以太网接口，因为双绞线接口10/100/1000BASE-T价格低廉，应用简单等特点应用最为普遍，特别是以太网交换机，一块单板可能就会出48个10/100M以太网口，网口的类型也是多种多样，因为网口信号的速率、密度很高，EMI问题显得十分突出。10/100/1000BASE-T以太网口电路按照连接器的种类网口电路可以分为：网口变压器集成在2013-11-20,09:27:318连接器里的网口电路和网口变压器不集成在连接器里的网口电路。下面分别给出它们的原理图：6.1.1网口变压器集成在连接器里的网口电路原理图图210/100/1000BASE-T以太网口电路原理图1根据上图，可见网口电路主要包括PHY芯片，网口变压器，网口连接器三部分。1、上图中，变压器匝数比不同，变压器前面的49.9欧姆电阻就不同，根据实际变压器情况以及网线阻抗进行选择，保证两者阻抗匹配。2、上图右侧的虚线框中部分是Bobsmith电路，此电路由Bobsmitch发明，采用此电路的主要作用如下：1)可以产生10dB的共模EMI衰减。2)提供接近75欧姆的共模阻抗。3)降低RJ45连接器未使用管脚的辐射发射。3、上图中，网口变压器中心抽头的电容值对EMC性能有影响，调整电容的大小，可以使EMC性能最优。4、上图中间部分的，由电容组成的差模、共模滤波器可以增强EMC性能,建议在网口增加此