CN106068058A - 车载以太网电路布线方法 - Google Patents

Abstract

一种车载以太网电路布线方法，包括一个在印刷电路板上布线的过程，在以太网接口收发器电路模块（即以太网芯片，简称PHY）与以太网媒体接入控制器（即MAC）模块电路之间设置一个滤波电路，滤波电路包括一个电阻器和一个电容器，电阻器串联在MAC与PHY之间，电容器的一端与MAC和PHY之间的走线连接，电容器的另一端接地，印刷电路板上设置有一个共模电感器，以太网接口与所述的共模电感器之间的走线区域的所有覆铜层的铜皮均挖空。本发明将时钟线表层走线限制到最短，并采用CR滤波器，且隔离外部干扰及维持差分线阻抗稳定，有效的降低了以太网模块的电磁干扰，增强其抗干扰能力，高效低成本的解决了百兆车载以太网的EMC问题。

Description

车载以太网电路布线方法

技术领域:

本发明涉及电学领域，尤其涉及车载以太网电路，特别是一种车载以太网电路布线方法。

背景技术:

随着驾驶辅助系统普遍化及信息娱乐系统日趋复杂化，车载网络带宽需求也越来越大，车载以太网可以显著降低系统复杂性、连接成本和布线重量，还方便将来向光纤标准扩展，因此车载以太网技术有逐渐代替CAN的趋势。但是，现有技术中， 车载以太网电路频率高、速率快，造成辐射量过大，而且车上环境恶劣，产生电磁兼容能力较差的技术问题。

目前车载以太网改善电磁兼容能力的常用方案有以下几种：

①以太网走线和其它某些走线合并为一个接口，使用普通线缆做双绞网线，在PCBlayout上把差分线埋内层并保持其回流地完整。这个方案抑制了差分线的辐射，但差分线放内层产生了过孔，过孔处阻抗突变，产生反射叠加导致信号不稳定且共模抑制比降低，恶化了EMC性能，而以太网走线和其它走线共用一个接口也加剧了串扰的幅度，且使用普通线缆做双绞网线，其阻抗/模态转换/回波损耗等参数会很差，也大大恶化了EMC性能。

②在PCB 布线上把差分线放表层，其回流地完整并把参考层回流地分割出来然后单点跟大地相接。分割参考层回流地使得分割地相对独立干净，减小了来自地平面的噪声干扰，但表层差分线的少部分回流是在表层走线两侧的地，而由于趋肤效应因素恰恰表层地上的噪声是最大的，表层回流地不分割，以太网信号会受到地平面上流动噪声的干扰。

③对于时钟（CLK）的滤波器（filter），使用RC，但这种方案，源头（source）出来的噪声遇到电阻R会发生反射叠加，源头通常为芯片，因而芯片内部这一段走线加上芯片出来到电阻R的走线，这一段不短的走线辐射会更差，见图1。

④对于图1，Source为ARM（BGA封装）的时候，通常BGA至电阻R之间这一段走线放在表层，过了电阻R之后再到内层布线。但就是这么一小段表层走线也会导致辐射超标。

⑤表层的差分线，其线宽线距以及离两侧地的距离等参数，从芯片出来一直到接口，都是一个统一的固定值，以便维持阻抗在稳定的100欧姆。但实际上，走线遇到滤波器后阻抗就发生突变了，这导致了信号不稳定和EMC恶化。

⑥要求芯片至接口的差分线总长等长。但实际上，这么做通常在滤波器之前的差分线是不等长的，导致了共模干扰以不平衡的状态先后到达滤波器，降低了共模抑制能力，引起EMC恶化。

⑦以太网芯片模块的参考地完全没有分割。实际上因为趋肤效应的缘故表层的噪声会非常大，以太网模块的表层地没有分割的话，会导致表层的噪声流过以太网模块，噪声抗干扰能力下降。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种车载以太网电路布线方法，所述的这种车载以太网电路布线方法要解决现有技术中车载以太网电路电磁兼容能力较差的技术问题。

本发明的这种车载以太网电路布线方法，包括一个在印刷电路板上布线的过程，所述的印刷电路板上设置有覆铜层、以太网媒体接入控制器电路模块（以下简称MAC）和以太网接口收发器电路模块（以下简称PHY）, 所述的以太网媒体接入控制器电路模块和以太网接口收发器电路模块互为噪声源和负载，其中，在MAC和PHY之间设置一个滤波电路，所述的滤波电路包括一个电阻器和一个电容器，所述的电阻器串联在MAC和PHY之间，电容器的一端与MAC和PHY之间的走线连接，电容器的另一端接地，所述的印刷电路板上设置有一个共模电感器，以太网接口与所述的共模电感器之间的走线区域的所有覆铜层的铜皮均挖空。

进一步的，分段计算差分线阻抗，提升差分阻抗的一致性。印刷电路板表层的覆铜层中包括有差分线，所述的差分线走线包括两段以上的走线，任意一段所述的走线的宽度均大于或者小于其相邻的走线的宽度，任意一段走线的线距均大于或者小于其相邻的走线的线距，任意一段走线到旁边地的距离均大于或者小于其相邻的走线到旁边地的距离, 差分线与共模电感器相邻的走线下方的铜箔均挖空。

进一步的，差分线实施分段等长，其各段走线的长度各自相等。

进一步的，隔离噪声趋肤效应的影响，以太网接口电路模块的接地端连接到印刷电路板中两个表层的地，其连接部与周边大地隔开，隔离的宽度为10mils，且表层差分线滤波器所接的地与周围大地分割开来。

本发明和已有技术相比较，其效果是积极和明显的。本发明将时钟线表层走线限制到最短，并采用CR滤波器，且隔离外部干扰及提高差分线阻抗稳定度，有效的降低了以太网模块的电磁干扰，增强其抗干扰能力，高效低成本的解决了百兆车载以太网的EMC问题。

附图说明：

图1是现有技术中的车载以太网电路电磁噪声产生原理图。

图2是本发明的车载以太网电路布线方法的一个实施例的MAC至PHY之间的电路路实施图。

图3是本发明的车载以太网电路布线方法中消除电路电磁辐射噪声的示意图。

图4是本发明的车载以太网电路布线方法中消除接口区域噪声的示意图。

图5是本发明的车载以太网电路布线方法中差分线实施分段计算和调整阻抗参数的示意图。

图6和图7是本发明的车载以太网电路布线方法中消除噪声趋肤效应影响的示意图。

图8是本发明的车载以太网电路布线方法中差分线实施分段等长的示意图。

具体实施方式：

实施例1:

本发明的车载以太网电路布线方法，包括一个在印刷电路板上布线的过程，所述的印刷电路板上设置有覆铜层、噪声源电路和负载电路，所述的噪声源电路包括MAC和PHY电路模块，它们互为噪声源和负载，其中，在MAC和PHY一个滤波电路，所述的滤波电路包括一个电阻器和一个电容器，电阻器串联在MAC和PHY之间，电容器的一端与MAC和PHY之间的走线连接，电容器的另一端接地，所述的印刷电路板上设置有一个共模电感器，以太网接口与所述的共模电感器之间的走线区域的所有覆铜层的铜皮均挖空。

进一步的，分段计算差分线阻抗，提升差分阻抗的一致性。印刷电路板表层的覆铜层中包括有差分线，所述的差分线走线包括两段以上的走线，任意一段所述的走线的宽度均大于或者小于其相邻的走线的宽度，任意一段走线的线距均大于或者小于其相邻的走线的线距，任意一段走线到旁边地的距离均大于或者小于其相邻的走线到旁边地的距离, 差分线与共模电感器相邻的走线下方的铜箔均挖空。

进一步的，差分线实施分段等长，其各段走线的长度各自相等。

进一步的，隔离噪声趋肤效应的影响，以太网接口电路模块的接地端连接到印刷电路板中两个表层的地，其连接部与周边大地隔开，隔离的宽度为10mils，且表层差分线滤波器所接的地与周围大地分割开来。

如图2所示，在实施例1中， BCM89811（IC4001）是以太网芯片，对于从I.MAX6处理器MAC模块传过来的时钟线RMII_REF_CLK、数据线ENET_TXD0和ENET_TXD1，均设置CR滤波器，以抑制MAC至电阻之间的噪声，也同时抑制了电阻至以太网芯片之间的噪声。

如图3所示，使用CR 滤波器，电容拉低了节点处的电阻，抑制了从电阻R发射回来的噪声幅度，可以使得电阻前后的噪声都比较低，从而整体上减小辐射量，改善EMC特性。

如图4所示，接口至第一个choke（共模电感）间走线区域所有层铜皮挖空（见红框内）。这一段差分线靠近主板接口区域，而接口区域是外界干扰通过线束进来的路径，这一区域会流过很大的噪声电流，把这一段差分线下方所有铜皮挖空后，保证了噪声电流无法流经差分线下方的地，从而消除了下方和两侧地上噪声的耦合；加强了差分线之间的耦合，提升了两线间的平衡性，提升了抗扰能力；也减小了接口 PIN对铜皮的寄生电容从而引起的残桩效应，提升差分线平衡性和信号质量；

如图5所示，差分线实施分段计算和调整阻抗参数。表层差分线遇到滤波器后，比如图5的共模电感、电阻、电容的PAD（引脚）其宽度就比差分线其它地方要粗很多，这就导致阻抗产生变化，为保持阻抗一致性，差分线各段的线宽、线距以及线到旁边地的距离都是不一样的，因此本发明分段计算和调整阻抗参数。在图5实施例中，各颜色区域内的差分线，它们的线宽线距就不一样，这是我们分段计算和调整阻抗参数的结果。

下面以共模电感处为例，具体说明如何实施分段计算阻抗参数，因为差分线在共模电感处的走线宽度变成了共模电感的PAD宽，而PAD是很宽的，为了保持为了保持其100欧姆的阻抗，必须挖空其下方的铜箔，此处例子的PAD宽为67mils，两PAD间距为23.6mils，算得红框宽为29mils。

如图6和图7所示，由于趋肤效应，流经地的噪声中，表层地上的噪声最严重，通过表层隔离方法，消除噪声趋肤效应的影响，隔离大部分噪声。因此以太网模块两个表层的地与周边大地隔开，隔离宽度10mils，且表层差分线滤波器所接的地与周围大地分割开来，分割地以尽量多的地过孔相连，形状对称。

本实施例加大了以太网差分线与其回流层的距离，使得差分线可以变粗，以减缓差分线的阻抗变化。差分线与回流层间距加大后，为了保证阻抗不变就会增加走线宽度，而走线宽度的增加会减缓走线太细导致制造偏差引起的阻抗变化，提升信号传输的稳定性；本发明具体实施方案如下，从接口往Ethernet芯片看，自第一个共模电感边缘开始一直到Ethernet chip，差分线在第一层走线而把差分线的回流设为第三层，这样就加大了以太网差分线与其回流层之间的距离。

时钟线从ARM那边的PIN需要先走一小段内层再到表层连接滤波器，以保证走在表层的线最短。例如，走线在表层的时候，其倍频1.575Ghz为12.585db；换为走内层后，1.575Ghz噪声降为8.307db，改善了4.2db，说明过孔造成的辐射不及走线在表层产生的辐射大。

实施分段等长。如图8所示，对于以太网差分线TRD_N/P，除了从以太网芯片至接口这一段要求等长外，本发明要求滤波器前后两段各自等长，即两个共模电感L4010和L4011之间的差分线需要严格等长（误差要求在±5mils以内），L4011到以太网接口之间的差分线也严格等长，误差同样要求在±5mils以内；这样就能使得来自外部网线并顺着以太网接口进入主板的干扰噪声能同时到达滤波器，同时受到滤波器的抑制，以改善共模抑制能力，提升EMC性能。

上面的设计实例仅为本发明中一较佳的实施例，其他根据本发明的设计电路或衍生出的设计，应包含于本专利申请的保护范围内。

Claims (4)

1.一种车载以太网电路布线方法，包括一个在印刷电路板上布线的过程，所述的印刷电路板上设置有覆铜层、以太网媒体接入控制器电路模块和以太网接口收发器电路模块,所述的以太网媒体接入控制器电路模块和以太网接口收发器电路模块互为噪声源和负载，其特征在于：在以太网媒体接入控制器电路模块和以太网接口收发器电路模块之间设置一个滤波电路，所述的滤波电路包括一个电阻器和一个电容器，电阻器串联在以太网媒体接入控制器电路模块和以太网接口收发器电路模块之间，电容器的一端与以太网媒体接入控制器电路模块和以太网接口收发器电路模块之间的走线连接，电容器的另一端接地，所述的印刷电路板上设置有一个共模电感器，以太网接口与所述的共模电感器之间的走线区域的所有覆铜层的铜皮均挖空。

2.如权利要求1所述的车载以太网电路布线方法，其特征在于：印刷电路板表层的覆铜层中包括有差分线，所述的差分线走线包括两段以上的走线，任意一段所述的走线的宽度均大于或者小于其相邻的走线的宽度，任意一段走线的线距均大于或者小于其相邻的走线的线距，任意一段走线到旁边地的距离均大于或者小于其相邻的走线到旁边地的距离, 差分线与共模电感器相邻的走线下方的铜箔均挖空。

3.如权利要求1所述的车载以太网电路布线方法，其特征在于：差分线走线中的各段走线的长度相等。

4.如权利要求1所述的车载以太网电路布线方法，其特征在于：以太网接口收发器电路模块的接地端连接到印刷电路板中两个表层的地，其连接部与周边大地隔开，隔离的宽度为10mils，且表层差分线滤波器所接的地与周围大地分割开来。