Ethernet RMII на двухслойной печатной плате

10

ВВЕДЕНИЕ: Я стремлюсь создать систему, подключенную к Ethernet, как хобби (то есть много времени, но не хочу тратить много). Мои конструктивные ограничения в идеале были бы прилипать к 2-слойной печатной плате 100 мм x 100 мм с минимальными отверстиями 0,3 мм и минимальной шириной дорожки / зазором 0,15 мм, с общей толщиной до 0,6 мм. Стоимость производства 4-слойной печатной платы в моем известном производителе превышает стоимость компонентов в тех количествах, которые мне нужны (на самом деле только одна, но до 10 печатных плат идет по той же цене в моем конкретном случае).

Мой подход: ATSAME54N20 microcontoller со встроенным Ethernet MAC связан с RMII к KSZ8091RNA PHY в Altium Designer.

 Микроконтроллер ATSAME54N20 со встроенным Ethernet MAC, подключенный с помощью RMII к PHS KSZ8091RNA в Altium Designer.

Схема ATSAME54N20 и KSZ8091RNA

ВОПРОС 1: Каковы мои шансы на успех? Сохранение характеристического импеданса 68 Ом к GND (GND все еще не залито) для трасс RMII кажется невозможным даже с опцией суммирования общей высоты 0,6 мм, но максимальная длина трассы составляет менее 30 мм, а трассы типа CLK имеют длину 4 мм. Могут ли проблемы с вызовом и отражением возникнуть в такой цепи?

ВОПРОС 2: Обе трассы TX маршрутизируются вместе и отдельно от RX, хотя сопоставление длины не было выполнено. Должен ли я рассмотреть жесткие допуски соответствия длины?

ВОПРОС 3: Подсвеченный NET избавляет вас, пройдя через два неиспользуемых контакта, которые будут установлены на высокое сопротивление. Это обычная практика? Это влияет на целостность сигнала? Лучше ли использовать переходы?

ПРИМЕЧАНИЕ 1: Я нашел темы, в которых обсуждались следы бега через контактные площадки NC, в моем случае я задаюсь вопросом о хорошо документированных неиспользованных контактах. Я также сталкивался с этим постом , но я планирую переплавлять припой на этой плате сам, и у меня нет опыта в этом, поэтому я бы предпочел избегать обрезание штифтов и воздействие неравномерных сил поверхностного натяжения, действующих на чип.

ПРИМЕЧАНИЕ 2: дорожки дифференциального импеданса 100 Ом от PHY до магнетика еще не запускались, но они выходят из PHY, не приближаясь к сигналам RMII.

ПРИМЕЧАНИЕ 3: Я пользуюсь этой возможностью, чтобы поблагодарить сообщество за его знания и помощь. Я надеюсь, что кто-то найдет мой пост полезным в будущем!


СЛЕДОВАТЬ ЗА:

введите описание изображения здесь

  • Все сетки RMII были согласованы по длине до 29,9 мм +/- 0,1 мм.
  • Неиспользованные булавки не использовались для беговых дорожек.
  • Stackup состоит из доски толщиной 1,6 мм, и никакого контролируемого сопротивления не было.
  • GND по-прежнему необходимо заливать вместе с некоторыми полигонами 3,3 В, не нарушая ни при каких дорожках.

Этот дизайн лучше?

Похоже, это может работать?


СЛЕДУЙТЕ ЗА 2:

введите описание изображения здесь

введите описание изображения здесь - Копланарный волновод с землей был реализован для более близкого соответствия импеданса.

введите описание изображения здесь

Самый полный ответ на правильный импеданс линии передачи для следов RMII, который я нашел, был Wikipedia:

Сигналы RMII рассматриваются как сосредоточенные сигналы, а не линии передачи; нет необходимости в согласовании или контролируемом сопротивлении; Выходной привод (и, следовательно, скорости нарастания) должен быть как можно медленнее (время нарастания от 1 до 5 нс), чтобы это было возможно. Драйверы должны иметь емкость 25 пФ, что позволяет отслеживать следы печатных плат до 0,30 м. По крайней мере, стандарт гласит, что сигналы не должны рассматриваться как линии передачи. Однако при скоростях фронта 1 нс, длина которых превышает примерно 2,7 см, эффекты линии передачи могут быть существенной проблемой; при 5 нс следы могут быть в 5 раз длиннее. Версия IEEE соответствующего стандарта MII определяет импеданс трассы 68 Ом. National рекомендует использовать 50-омные трассы с последовательными согласующими резисторами 33 Ом (добавляет к выходному сопротивлению драйвера) для режимов MII или RMII для уменьшения отражений.

Некоторые другие включают спецификацию RMII v1.2:

Все соединения предназначены для соединения «точка-точка» на печатных платах. Как правило, эти соединения можно рассматривать как электрические короткие пути, и отражения в линии передачи можно безопасно игнорировать. Ни разъем, ни характеристическое сопротивление для электрических длинных трасс PCB не входят в объем данной спецификации. Выходной диск рекомендуется поддерживать как можно более низким, чтобы минимизировать уровень шума на плате и уровень электромагнитных помех.

И руководство Sun Microsystems:

Как и сигналы MII, сигналы GMII будут заканчиваться источником, чтобы сохранить целостность сигнала в соответствии со следующим уравнением: Rd (полное сопротивление буфера) + Rs (полное сопротивление окончания источника = Z0 (полное сопротивление линии передачи).

  • Все сетки RMII были согласованы по длине до 40 мм +/- 0,1 мм.
  • Неиспользуемые контакты не использовались для трассировки сигнала.
  • Неиспользуемые контакты были использованы для заземления и подключения 3.3В.
  • Стек состоит из доски толщиной 1,6 мм.

Этот дизайн лучше?

Похоже, это может работать?

Допустимо ли подключение некоторых контактов к 3,3 В или GND? Я мог бы обойтись без этой практики.

Сколько переходных отверстий я должен разместить вдоль копланарного волновода? Есть дополнительное место для большего количества банкоматов.

Следы заземления между следами сигнала достигают ширины 0,15 мм, это нормально?

Заранее спасибо за вашу помощь в ответе! Я очень ценю это !

Хуан Мануэль Лопес Мансано
источник
3
Вывод "NC" не означает, что он не подключен внутри чипа: это означает, что вы не должны подключаться к ним. Причины наличия NC-контактов на микросхеме могут быть разными, но это могут быть зарезервированные контакты, контакты, используемые для тестирования и т. Д. Подключение к ним может привести к непредсказуемому поведению.
TimB
1
Спасибо за размещение Последующего. Я думал, вы сказали, что стек с 0,6 мм (что является очень тонкой платой), а не 1,6 мм? В любом случае, это не имеет большого значения для калибровки импеданса. В рамках (нежелательного) ограничения желания делать это на 2-х уровнях, я бы сказал, что это более безопасное решение, и с разницей в распространении сигнала были учтены (я подозреваю, что они никогда не были при такой скорости). Однако вы, кажется, не рассматривали импеданс аспекта дизайна? Кальки, которые я сделал в своем Ответе, были для сценария копланарной волны, где вы заполняете промежуточные сигналы с помощью Gnd, так что теперь они ошибочны.
Техидуде
1
Во-первых, теперь ~ 140 Ом (расчет микрополоски), ранее ~ 86 Ом (расчет копланарной волны). Я бы настоятельно призвал вас, по крайней мере, для обучения, проверить исходное сопротивление обоих микросхем, подтвердить мой расчет Z0 за спиной конверта и решить, возникнут ли у вас проблемы с отражением / звонком (если предположить, конец приема Hi-Z). Во-вторых, все сигналы возвращаются через землю, но это особенно важно для высокоскоростных (перекрестные помехи, EMI и т. Д.), Поэтому всегда нужно учитывать, в противном случае вы только «наполовину выполняете работу», поэтому мы заинтересованы в том, чтобы посмотрим, как ты делаешь нижнюю сторону gnd плоскости :-), если ничего не верхняя сторона.
Техидуде
1
это просто натолкнуло на случайный Google, который может помочь, если вы не знакомы с теорией и математикой. Я лично не одобряю это, но это выглядит «достаточно хорошо» для этого случая :-): web.cecs.pdx.edu/~greenwd/xmsnLine_notes.pdf
Techydude
2
Вы должны использовать последовательные резисторы, особенно на часах. В качестве примеров вы можете посмотреть схему и схему «Eth87 LAN» и «Eth8 DP83848».
TEMLIB

Ответы:

6

Я думаю, что вы подойдете для 100BaseT (50 МГц сигналов RMII), хотя по другим причинам я думаю, что это все еще рискованный дизайн. У меня нет времени, чтобы провести тщательный анализ времени и импеданса, но я могу предложить следующие неординарные комментарии:

а) Хотя я понятия не имею, где вы находитесь и имеете ли вы доступ к кредитной карте, 4-слойные печатные платы очень доступны для многих производителей печатных плат. OSHpark.com приходит на ум. Имея дело с этим ограничением, ваша проблема (б) (следующий пункт) также избегается.

б) Подключение к колодкам "NC" рискованно и в значительной степени запрещено в профессиональной обстановке. Может быть, они действительно "NC", или, может быть, они "зарезервированы" для будущего использования на обновленном куске кремния, который не только входит в новую тесно связанную микросхему, но также и в будущее производство этой микросхемы. Очевидно, что там будет свинцовый каркас, но, возможно, также будет провод, соединяющий с кремнием. Вы просто не знаете, ни сегодня, ни в будущем. Вот почему MFG говорит "Нет подключения"! Этот «хорошо задокументированный» (говорит кто?) NC сегодня может стать связанным с каким-то кремнием завтра. Но, возможно, это не имеет значения в вашей ситуации для разового.

c) Скорость сигнала через медь на FR4 составляет около 6 "/ 15 см / нс. Судя по спецификации KSZ8091 (7.0 временные диаграммы), я думаю, вы хотите, чтобы ваши тайминги были с точностью до 1 нс. Так что у вас есть много пространство (длина) для работы здесь, намного больше, чем ваш «ограниченный» макет, с точки зрения синхронизации вам не нужно быть так близко к MCU. Лично я бы не стал слишком увлекаться временем и длиной. Соответствие в этой ситуации, я не думаю, что это будет иметь значение. Сказав, что это хорошая практика, чтобы эти быстрые сигналы были одинаковой длины, потому что это имеет значение в более быстрых конструкциях. Хорошо, у вас есть место, чтобы вытянуть PHY Чип дальше от MCU, чтобы дать вам место для согласования длины.

d) Целостность и полное сопротивление сигнала: если ваша нижняя сторона заземления находится на расстоянии 0,6 мм, это не дает вам большой связи или контроля полного сопротивления. Вот почему существуют 4-слойные печатные платы :-). Если бы я был вами, я бы использовал это дополнительное пространство (расстояние между PHY и MCU), доступное (с точки зрения синхронизации), чтобы также добавить несколько резисторов 0402 последовательно с этими 50 МГц сигналами (расположенными ближе всего к источнику), чтобы вы получили возможность их замедления и повышения R-составляющей вашего импеданса в случае, если вызов (отражение) является проблемой. Если вы придерживаетесь двухслойного слоя, то я бы также использовал это доступное пространство между PHY и MCU, чтобы добавить немного медного заземления на верхней стороне между этими высокоскоростными сигналами.

Saturn PCB Toolkit скриншот

Интересно, что я увидел кое-что любопытное в дешевых Netgear GS305 (справа) и даже более дешевых (слева) GS105 5-портовых коммутаторах Gigabit Ethernet. IIRC, будучи гигабитным, это будет ~ 250 МГц сигналов для магнетиков, где можно было бы подумать, что управление импедансом будет более важным. Опять же, я подозреваю, что их магниты рассчитаны только на 10 / 100BaseT, а не 1000, но им, похоже, это тоже сходит с рук!

Netgear GS105 слева, GS305 справа

Модель GS105 даже дешевле всего в 2 слоя:

Netgear GS105, 2-слойная печатная плата!

Techydude
источник
Большое спасибо ! Я сделаю еще одну попытку разработки и отправлю обратно, микросхемы будут отодвинуты еще дальше, а длины будут согласованы. Что касается вашего б), я использую обычные контакты, чтобы избежать переходов. Они могут быть настроены как выходы или что угодно. Как вы думаете, насколько емкость дополнительных контактов повлияет на согласование длины? Большое спасибо за эти фотографии, они утешительные!
Хуан Мануэль Лопес Мансано
3
@ JuanManuelLópezManzano Вот дерьмо, я думал, ты сказал, что это были контакты без подключения ?! Но это GPIO, которые вы намереваетесь настроить как входы Hi-Z? Черт, нет - ужасная идея. Мало того, что на самом деле у вас есть емкость фактической схемы GPIO на кремнии и ее применение к некоторым, но не ко всем сигналам RMII, вы также получаете риск того, что встроенное ПО SNAFU сделает их выходами и повредит драйверы выходов ( либо MCU, либо PHY IC) - и это после того, как вы подтвердите, что эти конкретные GPIO переходят в состояние Hi-Z во время RESET. Просто нет. У вас более чем достаточно запаса времени, чтобы справиться с переходами.
Техидуде
1

Я полагаю, что для RMII вы хотите, чтобы все трассы были согласованы с линией часов. Но на некоторых трассах у вас будет дополнительная емкость от дополнительных пэдов, что еще больше замедлит их, и я не уверен, как это объяснить.

Достаточно ли 10 Мбит / с? Если это так, вы можете быть в порядке.

pscheidler
источник
10 Мбит / с было бы хорошо. Я проектирую альтернативу с более тонкими трассами (дальше от характерного импеданса), но с соответствующими длинами. Если кто-нибудь знает, как учесть дополнительные колодки, дайте мне знать!
Хуан Мануэль Лопес Мансано