ePort-M PCB设计技巧与案例分享
为了让eport-m模块的pcb设计更简单，提高硬件直通率，本文将介绍eport-m的pcb设计技巧，并通过实际案例说明pcb布局布线对eport-m的影响。
产品简介
在传统方式的网络通讯电路设计中，mcu的mac控制器应先通过rmii信号线连接至phy芯片，再经由网络变压器连接至rj45座子，设计过程复杂，对设计人员要求较高，且遇到问题需要改动时，非常不便。
eport-m百兆以太网模块采用rmii接口，内部集成了phy芯片与网络变压器，用户使用时仅需完成mcu的mac控制器和eport-m模块管脚之间的走线即可，使得网络通讯电路设计简单化，缩短了开发时间，降低了设计人员要求。图1 网络通讯电路设计示意图
pcb设计技巧
在使用eport-m进行pcb设计时，建议遵循以下几点设计规则：
rmii信号线布线时需控制单端50欧阻抗匹配，避免阻抗不连续造成信号反射，影响通讯质量；
rmii中tx组与ref_clk的串联匹配电阻（如图2中的r5~r8）布局时应靠近信号发射端即mcu端放置；
rmii走线间距建议至少保持2w，若受限pcb空间，应优先确保ref_clk的间距要求；
rmii信号线以ref clk时钟线为基准进行等长布线，建议控制在200mil左右；
rmii信号线及mdc/mdio应远离板上其它干扰源布线，如远离开关电源等；
rmii信号回流平面应完整；
当使用一路mdio接口同时管理多路eport-m时，mdio走线推荐按图3所示方式布线。
图2 eport-m典型应用电路
图3 mdc/mdio推荐布线
案例分享当pcb设计未能遵循上述设计规则时，可能会造成eport-m模块通讯异常，轻则速率达不到要求，重则无法ping通。下面以实际案例说明。某块搭载双路eport-m模块的工控底板在实际使用过程中，其网口无法正常通讯，出现频繁link up与down的情况，长ping测试结果如图4所示。工控底板pcb布局布线如图5所示。
图4 工控底板网口长ping测试结果
图5 双路eport-m工控底板pcb图经分析，该底板pcb设计有以下几点问题：
rmii中tx组信号线的串接电阻布局于eport-m端，正常应布局在核心板/mcu端（案例中ref_clk串接电阻已集成在核心板上）；
同组rmii信号线布线间距过近，可能会造成线间干扰；
不同组rmii信号线相邻层平行布线，可能会造成层间干扰；
rmii信号线未控制阻抗，会造成信号反射；
rmii、mdc/mdio信号线布线与5v_dc-dc开关电源电路相邻，导致rmii、mdc/mdio受到干扰。
据此，我们采集了工控底板rmii各信号与mdc/mdio的波形，发现mdio信号波形有明显异常，其波形如图6所示。
图6 工控底板的mdio波形
进一步分析发现工控底板的mdio脉冲频率与dc-dc电源电路的开关频率相近，测得其两者波形如图7所示，可见两者具有强相关性。
图7 dc-dc输出信号与mdio信号波形
对此情况，我们将dc-dc开关电源电路断开，直接由外部电源供电，经测试，两路网均口能够正常通讯，且通讯速率符合要求，通讯速率测试结果如图8所示。
图8 外部供电时网口通讯速率测试结果
通过上述案例可见，pcb布局布线对eport-m模块的通讯质量具有较大影响，工程师在进行pcb设计时，应满足上文所述的设计规则。
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pcb设计技巧
在使用eport-m进行pcb设计时，建议遵循以下几点设计规则：
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当使用一路mdio接口同时管理多路eport-m时，mdio走线推荐按图3所示方式布线。
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图3 mdc/mdio推荐布线
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图4 工控底板网口长ping测试结果
图5 双路eport-m工控底板pcb图经分析，该底板pcb设计有以下几点问题：
rmii中tx组信号线的串接电阻布局于eport-m端，正常应布局在核心板/mcu端（案例中ref_clk串接电阻已集成在核心板上）；
同组rmii信号线布线间距过近，可能会造成线间干扰；
不同组rmii信号线相邻层平行布线，可能会造成层间干扰；
rmii信号线未控制阻抗，会造成信号反射；
rmii、mdc/mdio信号线布线与5v_dc-dc开关电源电路相邻，导致rmii、mdc/mdio受到干扰。
据此，我们采集了工控底板rmii各信号与mdc/mdio的波形，发现mdio信号波形有明显异常，其波形如图6所示。
图6 工控底板的mdio波形
进一步分析发现工控底板的mdio脉冲频率与dc-dc电源电路的开关频率相近，测得其两者波形如图7所示，可见两者具有强相关性。
图7 dc-dc输出信号与mdio信号波形
对此情况，我们将dc-dc开关电源电路断开，直接由外部电源供电，经测试，两路网均口能够正常通讯，且通讯速率符合要求，通讯速率测试结果如图8所示。
图8 外部供电时网口通讯速率测试结果
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