Ethernet RMII на двухслойной печатной плате

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.

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:

• 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:

- Копланарный волновод с землей был реализован для более близкого соответствия импеданса.

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 !

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.

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!

Модель GS105 даже дешевле всего в 2 слоя:

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.