Este
artículo lo tomé de la siguiente ruta (https://www.acmesystems.it/pcb_ethernet) me pareció muy interesantes y muy bien resumido como preliminar para aquellos que se aventuren a diseñar placas PCBs y utilicen Ethernet. Se muestra un conjunto de reglas generales sobre cómo conectar el
periférico MAC del Roadrunner MCU a la LAN a través del cable UTP. Sugerencias
prácticas sobre el diseño de circuitos y PCB para tener una conexión Ethernet
confiable de 100 Mbps compatible con EMC.
Introducción
El estándar IEEE802.3 también define el protocolo (tanto de hardware como de
software) entre el MAC (Control de acceso a medios) y el medio de red. En
nuestro caso, el MAC es el periférico de hardware de Microchip SAMA5D27 MCU y
el medio es el cable UTP (cat5 y superior) para un enlace 10Base-T o
100Base-TX.
Como se muestra en el diagrama, el periférico MAC permite la conexión de manera
independiente del medio. Para agregar al protocolo todos los controles
eléctricos y de comunicación necesarios para cumplir con los requisitos de
Ethernet en el medio UTP, necesitamos otro chip dedicado, el PHY. Las reglas
para diseñar la cadena de UTP a MAC se describirán de abajo hacia arriba, desde
la capa inferior hacia arriba.
Físico
Este es el esquema de la parte física de la
conexión ethernet. Describamos el papel de cada
componente.
El cable LAN puede conectar dos
dispositivos con una distancia de hasta 100 m. Esos
dispositivos pueden conectarse a diferentes fuentes de alimentación con una
diferencia de potencial de tierra de muchos voltios. El
cable también puede atrapar algunos ESD o EMI que se ejecutan junto con otras
líneas en un conducto de servicio. Esos niveles
peligrosos deben filtrarse antes de causar daños de cualquier tipo. Se recomienda encarecidamente un zócalo RJ45 con imanes integrados
debido a su aislamiento galvánico entre la electrónica interna y media. Además, está diseñado para coincidir con la impedancia del cable UTP y
evitar reflejos.
Los conectores RJ45 están disponibles en paquetes
SMT o PTH, ejemplos a continuación.
El conector SMT es más fácil de montar con Pick & Place
y generalmente es un poco más pequeño. PTH es más robusto y ofrece más
confiabilidad si debe enchufarse con frecuencia. A continuación, algunos
ejemplos de PCB para conectores SMT y PTH RJ45. Tenga en cuenta las precauciones
adicionales para evitar daños por ESD a componentes sensibles. El blindaje del
conector RJ45 está conectado en un plano separado, llamado aquí TIERRA para
distinguirlo del plano GND general y aislado de él con un espacio de al menos 1
mm. Los dos planos están en contacto, desde el punto de vista de la señal, solo
a través de un condensador de 1nF / 3kV. Los condensadores de equilibrio de
modo común de 18pF deben colocarse lo más cerca posible del zócalo en el borde
del plano GND. La matriz de protección ESD1014 ESD proporciona aún más
protección ESD en paralelo a las líneas de señal y se coloca cerca del plano
TIERRA.
Al contrario del resto del circuito, no se debe colocar
ningún plano debajo de los imanes, para mantener las rutas de señales
diferenciales coincidentes y mantener el rechazo de ruido en modo común en el
mejor de los casos.
Como es bien sabido, el enlace 100Base-TX utiliza el modo de
transmisión de señal diferencial para rechazar el ruido de modo común inducido
a lo largo de la ruta. Las diferencias de longitud de ruta influyen en el
cambio de fase de las señales diferenciales, reduciendo en consecuencia la
relación S / N. Debido a que lleva una señal de alta frecuencia, el cable UTP
debe tener la impedancia correcta para coincidir con la fuente y cargar una.
Los requisitos de coincidencia de longitud y de impedancia
controlada deben mantenerse también en la parte de PCB de la línea, para evitar
reflejos de la señal y mejorar la EMC. Un conjunto de herramientas está
disponible en Altium Designer para facilitar esta tarea.
En primer lugar, debemos definir las reglas correctas a
seguir para este tipo de enrutamiento. La impedancia de las pistas depende de
la PCB (grosor dieléctrico y de cobre como máximo) y del ancho y la separación
de las líneas diferenciales. Una buena calculadora de impedancia para este tipo
de línea es la línea TX, la calculadora de línea de transmisión. Un plano GND
adecuado debe estar siempre presente debajo y alrededor de las líneas
diferenciales, esto conduce a un mínimo de 4 capas de PCB. Una vez que se han
calculado los parámetros correctos, deben ingresarse como regla para esa clase
de red específica.
Después de eso, con la herramienta Ruta - Enrutamiento de
par diferencial diferencial interactivo, es fácil enrutar las líneas
diferenciales con el ancho y el espaciado correctos.
Después de eso, con la herramienta Ruta - Enrutamiento de
par diferencial diferencial interactivo, es fácil enrutar las líneas
diferenciales con el ancho y el espaciado correctos. Una vez enrutadas, las
líneas deben coincidir en longitud con algunas décimas de mm con la herramienta
PCB - Editor de par diferencial.
Algunas posibles diferencias de longitud se pueden compensar
agregando un acordeón con la herramienta interactiva de ajuste de longitud.
MDI - PHY
Un chip PHY que se usa típicamente para interconectar el
medio independiente de la parte dependiente del medio del circuito es el
transceptor Microchip LAN8720A 10BASE-T / 100BASE-TX
Conducir la línea de Ethernet sobre una longitud de hasta 100
m requiere algo de potencia. Una vez que se encienden el PHY y el imán,
comienzan a desperdiciar algunos cientos de mA. Para ahorrar energía, cuando no
se requiere Ethernet, su potencia puede controlarse mediante software en un
dominio de potencia separado utilizando un mosfet controlado por un GPIO de la
MCU.
MII / RMII - MAC
El estándar IEEE802.3 definió inicialmente las reglas
para un MII con 4 líneas para cada dirección de señal y muchas líneas de
control. El estándar más utilizado en este momento es la Interfaz Independiente
Media Reducida que, al duplicar el reloj y compartir algunas líneas de control,
se reduce a un número más razonable de líneas de E / S para el periférico MAC
de MCU. Debido a una comunicación de 50MHz con niveles de borde afilados,
también las pistas de PCB de esta parte del circuito deben diseñarse cuidadosamente.
Aunque no se requiere una coincidencia de longitud, deben mantenerse lo más
cortos posible, con la línea del reloj posiblemente más larga que las líneas de
datos.
