INTRODUCCIÓN: Mi objetivo es diseñar un sistema conectado a Ethernet como un pasatiempo (es decir, mucho tiempo pero no deseo gastar mucho). Lo ideal sería que mis limitaciones de diseño se adhirieran a un PCB de 2 capas de 100 mm x 100 mm con orificios mínimos de 0,3 mm y un recorrido / espacio libre de 0,15 mm, apilamiento total de hasta 0,6 mm de espesor. El costo de producir un PCB de 4 capas en mi fabricante conocido excede el de los componentes en las cantidades que necesito (solo uno realmente, pero hasta 10 PCB cuestan el mismo costo en mi caso particular).
MI ENFOQUE: Un microcontoller ATSAME54N20 con Ethernet MAC incorporado conectado con un RMII a un KSZ8091RNA PHY en Altium Designer.
PREGUNTA 1: ¿Cuáles son mis probabilidades de éxito? Mantener la impedancia característica de 68ohms a GND (GND aún no se vierte) para trazas RMII parece imposible incluso con la opción de apilamiento de altura total de 0,6 mm, aunque la longitud máxima de traza es inferior a 30 mm, con trazas como CLK de 4 mm de largo. ¿Es probable que surjan problemas de timbre y reflexión en un circuito como este?
PREGUNTA 2: Ambas trazas TX se enrutan juntas y se separan de las RX, aunque no se realizó una coincidencia de longitud. ¿Debo considerar tolerancias de coincidencia de longitud ajustada?
PREGUNTA 3: El NET resaltado ahorra vías al pasar por dos pines no utilizados que se establecerían en alta impedancia. ¿Es esta práctica común? ¿Se ve afectada la integridad de la señal al hacer esto? ¿Es mejor usar vias?
NOTA 1: Encontré temas sobre la ejecución de trazas a través de pads NC, en mi caso me pregunto acerca de los pines no utilizados bien documentados. También me encontré con esta publicación , pero estoy planeando volver a soldar esta placa yo mismo y no tengo experiencia en hacerlo, por lo tanto, preferiría evitar cortar los pasadores y lidiar con fuerzas de tensión superficial desiguales que actúan sobre el chip.
NOTA 2: las pistas de impedancia diferencial de 100 ohmios desde el PHY al imán aún no se han ejecutado, pero salen del PHY sin acercarse a las señales RMII.
NOTA 3: Aprovecho esta oportunidad para agradecer a la comunidad por su conocimiento y ayuda. ¡Espero que alguien encuentre mi publicación útil en el futuro!
SEGUIMIENTO:
- Todas las redes RMII se igualaron en longitud a 29,9 mm +/- 0,1 mm.
- Los pines no utilizados no se utilizaron para ejecutar trazas.
- El apilamiento consiste en una placa de 1,6 mm de espesor total y no se realizó una impedancia controlada.
- GND todavía necesita ser vertido, junto con algunos polígonos de 3.3V, sin romper bajo ninguna pista.
¿Es este diseño mejor?
¿Parece que podría funcionar?
SEGUIMIENTO 2:
- Se implementó una guía de onda coplanar con tierra para una coincidencia de impedancia más cercana.
La respuesta más completa a la impedancia de línea de transmisión correcta para las trazas RMII que encontré fue Wikipedia:
Las señales RMII se tratan como señales agrupadas en lugar de líneas de transmisión; no es necesaria la terminación ni la impedancia controlada; La unidad de salida (y, por lo tanto, las velocidades de respuesta) deben ser lo más lentas posible (tiempos de subida de 1 a 5 ns) para permitir esto. Los conductores deberían poder manejar 25 pF de capacitancia, lo que permite trazas de PCB de hasta 0,30 m. Al menos el estándar dice que las señales no necesitan ser tratadas como líneas de transmisión. Sin embargo, a una velocidad de borde de 1 ns un rastro más largo que aproximadamente 2.7 cm, los efectos de la línea de transmisión podrían ser un problema importante; a 5 ns, las trazas pueden ser 5 veces más largas. La versión IEEE del estándar MII relacionado especifica una impedancia de traza de 68 Ω. National recomienda ejecutar trazas de 50 Ω con resistencias de terminación en serie de 33 Ω (se suma a la impedancia de salida del controlador) para el modo MII o RMII para reducir los reflejos.
Algunos otros incluyen la especificación RMII v1.2:
Todas las conexiones están destinadas a ser conexiones punto a punto en PCB. Típicamente, estas conexiones pueden tratarse como caminos eléctricamente cortos y las reflexiones de la línea de transmisión pueden ignorarse de manera segura. Ni un conector ni una impedancia característica para trazas de PCB eléctricamente largas están dentro del alcance de esta especificación. Se recomienda que la unidad de salida se mantenga lo más baja posible para minimizar el ruido a nivel de placa y EMI.
Y una directriz de Sun Microsystems:
Al igual que las señales MII, las señales GMII se terminarán en la fuente para preservar la integridad de la señal según la siguiente ecuación: Rd (Impedancia del búfer) + Rs (Impedancia de terminación de la fuente = Z0 (Impedancia de la línea de transmisión).
- Todas las redes RMII tenían una longitud equivalente a 40 mm +/- 0.1 mm.
- Los pines no utilizados no se utilizaron para ejecutar trazas de señal.
- Se utilizaron pines no utilizados para GND y conexión de 3.3V.
- El apilamiento consiste en una placa de 1,6 mm de espesor total
¿Es este diseño mejor?
¿Parece que podría funcionar?
¿Es aceptable atar algunos pines a 3.3V o GND? Podría prescindir de esta práctica.
¿Cuántas vías debería colocar a lo largo de la guía de onda coplanar? Hay espacio adicional para más vias ATM.
Las trazas de GND entre trazas de señal alcanzan hasta 0,15 mm de ancho, ¿está bien?
Gracias de antemano por su amable ayuda para responder! Realmente lo aprecio !
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Respuestas:
Creo que sería bueno para 100BaseT (señales RMII de 50MHz), aunque por otras razones creo que este sigue siendo un diseño arriesgado. No tengo tiempo para pasar por un análisis exhaustivo de tiempo e impedancia, pero puedo ofrecer los siguientes comentarios extravagantes:
a) Si bien no tengo idea de dónde se encuentra o si tiene acceso a una tarjeta de crédito, los PCB de 4 capas son muy asequibles para muchos fabricantes de PCB. OSHpark.com viene a la mente. Al tratar con esta limitación, también se evita su (b) problema (siguiente punto).
b) Conectarse a pads "NC" es arriesgado y prácticamente un no-no en un entorno profesional. Tal vez son realmente "NC", o tal vez están "reservados" para un uso futuro en una pieza actualizada de silicio que no solo entra en un nuevo IC estrechamente relacionado, sino también en la fabricación futura de este IC. Obviamente habrá un marco de plomo allí, pero tal vez también unir el cable al silicio. Simplemente no lo sabes, ni hoy ni en el futuro. ¡Es por eso que el fabricante dice "No conectar"! Ese "NC bien documentado" (¿quién dice?) Hoy podría conectarse a un poco de silicio mañana. Pero tal vez esto no importe en su situación por una sola vez.
c) La velocidad de la señal a través del cobre en FR4 es de aproximadamente 6 "/ 15 cm por ns. A juzgar por la hoja de datos de KSZ8091 (7.0 Diagramas de temporización), creo que querrá que sus temporizaciones sean precisas en 1ns. Así que tiene un montón de espacio (longitud) para trabajar aquí, mucho más que su diseño "estrecho" actual; desde una perspectiva de tiempo, no necesita estar tan cerca de la MCU. Personalmente, no estaría demasiado atrapado en el tiempo y la longitud. en esta situación, no creo que importe. Habiendo dicho eso, es una buena práctica que estas señales rápidas tengan la misma longitud, porque esto importa en diseños más rápidos. Es bueno que tengas espacio para tirar del PHY chip más lejos de la MCU para darle espacio para la coincidencia de longitud.
d) Integridad e impedancia de la señal: con su tierra del lado inferior a 0.6 mm de distancia, no tiene mucho acoplamiento o control de impedancia. Es por eso que existen PCB de 4 capas :-). Si fuera usted, usaría ese espacio adicional (distancia entre PHY y MCU) disponible (desde una perspectiva de tiempo) para agregar también algunas resistencias 0402 en serie con estas señales de 50MHz (colocadas más cerca de la fuente), para que tenga la opción de reducir la velocidad y aumentar el componente R de su impedancia, en caso de que el sonido (reflejos) sea un problema. Si te quedas con una capa 2, entonces también usaría ese espacio disponible entre PHY y MCU para agregar un poco de cobre conectado a tierra en el lado superior entre estas señales de alta velocidad.
Curiosamente, vi algo curioso en los GS305 baratos de Netgear (derecha) e incluso los conmutadores Gigabit Ethernet de 5 puertos GS105 más baratos (izquierda). IIRC, siendo Gigabit, serán señales de ~ 250MHz hacia el magnetismo, donde uno pensaría que el control de impedancia sería más importante. Por otra parte, sospecho que sus magnéticos solo están clasificados para 10 / 100BaseT, no 1000, ¡pero parece que también se están saliendo con la suya!
El modelo GS105 aún más barato tiene solo 2 capas:
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Para RMII, creo que quieres que todas las huellas coincidan con la línea del reloj. Pero, en algunos trazos, tendrá capacidad adicional de los pads adicionales, lo que los ralentizará más, y no estoy seguro de cómo explicar eso.
¿Son 10 Mbps lo suficientemente buenos? Si es así, puedes estar bien.
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