ZHCADE3 November 2023 DP83TC812R-Q1 , DP83TD510E , DP83TG720R-Q1 , LMK1C1103 , LMK1C1104 , LMK5B12204 , LMK6C
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本应用手册为通过 EMI 和 EMC 测试提供了有关良好原理图和布局实践的指导。该出版物重点介绍了电源和时钟方案中经常被忽略的方面。另外,我们还特别关注单线对以太网 (SPE) 在顶部增加数据线供电 (PoDL) 的要求,因为这对数据线上电源引起的纹波电压有额外的要求。
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每当设计系统时,可以运用某些规则来创建一个不发射电磁干扰、但也能够抵御外部发射的系统。本文档总结了在原理图和布局设计期间应注意的良好实践。这里重点介绍了单线对以太网,但一些规则也适用于标准以太网。
在考虑 EMI 时,一个非常重要的方面是电源。目标是尽可能降低每个电源轨上的噪声,原因有两个:噪声可能会干扰您的电路并导致 IC 无法正常工作,甚至可能会出现断电,而且电源线路还可能通过辐射(辐射发射)或导线(传导发射)给环境带来噪声。
在查看系统电源树的典型方框图时,我们可以将进入处理器、以太网 PHY 的以及从外部电源输入为系统供电的所有电压分为内部电源轨。图 2-1 中展示了 24V PoDL 和 24V Aux。
内部电源轨由连接更高电压的本地开关或线性稳压器生成。此处所示的示例从外部 24V 电压开始,使用开关稳压器生成一个中间 5V 电压轨,并最终为不同子系统生成了 3.3V 和 1.8V 电压轨。
本文档并未重点介绍如何设计开关稳压器,请记住有关电流环路的一般规则并查看数据表。另外,本文档未涵盖线性稳压器的基础知识。
为以太网 PHY 实施电源时,请遵守数据表中提供的电容器和电源轨滤波方面的指南。通常,您需要两到三个电容器,每个电源引脚具有不同的电容以及一些大容量电容。除此之外,建议使用低通滤波选项。图 2-2 显示了每个引脚的一组电容器,对于 R77 和 R78,给出了滤波选项。使用多个具有不同电容和尺寸的电容器在较宽频率范围内获得低阻抗。从 0402(对于非常高的频率,也可为 0201 或更小)到 0805 的不同物理尺寸也可使用。
在(预)合规性测试期间,您可以了解是否需要添加额外的滤波功能,例如使用铁氧体磁珠。如果出现与器件内部使用频率相关的噪声,或者测量流经该电阻器的大量 HF 电流(可使用近场探头),则可以添加铁氧体磁珠,使电源平面避免产生噪声。
在布局方面,确保元件的顺序正确并使用宽而短的布线连接非常重要。每个布线都有寄生元件,尤其是电阻,在这种情况下电感可能会很高。根据经验,1cm 的布线具有 10nH 的电感。这听起来好像没什么大不了的,但在 100MHz 下的阻抗约为 6Ω,这已经很大了。因此,通过长而细的布线连接电容器对于更高的频率是无用的。
此外,电容器的阻抗随频率而变化,因为实际电容器具有寄生效应,性能与理想电容器不同。通常,与高电容相比,小电容更适合用于滤除高频。此外,物理尺寸也很重要,由于串联电感较低,因此高频模式下尺寸越小越好。另外,在这种情况下,不要使用穿孔器件或电解电容器进行滤波。
图 2-3 显示了此实现方案的布局,来自引脚的布线尽可能短,然后经过一组容值逐渐增加的电容器。这组电容在一端通过一个铁氧体磁珠连接到电源平面。还要考虑返回路径,每个流入电源引脚的电流都需要以某种方式返回。该返回路径还需要具有低阻抗。具有实心 GND 平面的典型方法是一种很好的设计,同时还以实心方式连接 IC 和电容器的返回路径。这意味着需要尽可能靠近放置一组过孔。在这里,您会受限于能购买的制造能力。远离焊盘,将过孔和焊盘用阻焊层隔开,否则在制造电路板时可能会出现问题。如果您确实希望在焊盘上有过孔,可以预先与制造商讨论这一点。
在某些情况下,可能需要将电容器安装在 PCB 的另一侧,位于 IC 的正下方。这也是一种不错的方法,但同样,过孔会增加一些电感,1.6mm PCB 中的一个 0.2mm 过孔具有大约 1nH 的电感,与 1mm PCB 布线类似。