以太网电路设计指南

1、以太网接口硬件架构概览

典型以太网硬件接口主要由以下几大部分组成：

• CPU/MCU：主控系统，负责上层协议处理。

• MAC（Media Access Control）：媒体访问控制层，处理数据帧的封装与校验。

• PHY（Physical Layer）：物理层接口，将MAC输出的数字信号转换为模拟电信号。

• 网络变压器（Magnetics）：提供信号隔离、抗共模干扰和阻抗匹配功能。

• RJ45接口：物理连接点，实现与以太网物理介质的连接。

随着集成度提高，越来越多SoC（System on Chip）芯片已集成MAC，甚至部分集成了PHY，设计方式也在不断优化。

二、关键元件解析

（一）PHY芯片

• 作用：将MAC层的数字信号转换为适合网线传输的模拟信号。

• 关键参数：

• 速率：10/100Mbps（百兆）、1000Mbps（千兆）。

• 接口类型：MII/RMII/GMII（与MAC通信）。

• 传输距离：千兆以太网支持最长100米的双绞线传输。

• 特殊功能：部分PHY芯片支持POE（以太网供电）。

（二）网络变压器

• 作用：

• 电气隔离：阻断PHY与RJ45之间的直流分量，保护芯片。

• 抑制共模干扰：减少外部电磁干扰（EMI）。

• 阻抗匹配：优化信号传输质量。

（三）RJ45接口

• 百兆（100BASE-TX）：仅使用2对（4芯）双绞线（Cat5或更高规格电缆中的1-2、3-6线对），1对用于发送数据，1对用于接收数据，其余2对未使用。

• 千兆（1000BASE-T）：使用全部4对（8芯）双绞线（Cat5e或更高）。

三、PCB设计要点

（一）整体布局

• 尽量靠近RJ45，缩短差分走线长度。

• 下方避免其他信号线，防止干扰。

（二）差分线（TX/RX）走线规则

• 等长匹配（要求长度差≤5mil）。

• 阻抗控制（通常100Ω差分阻抗）。

• 避免锐角走线，减少信号反射。

（三）网口与变压器PCB设计要点

• 耐压隔离：网络变压器中间隔离区需足够宽，确保耐压要求。PHY与RJ45需分属不同地平面，禁止跨平面布局或走线。

• 抗干扰处理：变压器下方所有层挖空，避免底层铜箔引入噪声。

• 差分线布线：优先走底层，远离网口外壳接地层。阻抗建议控制在100Ω±10%（非强制但推荐）。

• 外壳接地：网口金属外壳接地线需加粗，确保低阻抗连接。

四、接口防护设计

• ESD保护器件：用于防止静电放电对后级电路造成损坏。

• 浪涌保护器件：用于防止雷击等产生的浪涌电压对电路造成损坏。

五、实际应用案例分析

以某工业自动化设备为例，其以太网接口设计采用了集成MAC和PHY的SoC芯片，通过合理布局和走线，实现了稳定可靠的通信。在实际应用中，该设备能够在复杂的电磁环境下稳定工作，满足了工业自动化对以太网通信的高要求。