在信號完整性雜志上面看到這篇文章，作者：Zachariah Peterson 發表時間：2020年9月1日，個人覺得本篇文章內容對從事PCB設計、EMC設計、信號完整性設計都具有一定的參考價值，經翻譯后適當配圖分享給大家。

如果您的職業生涯大部分時間都在從事 PCB 設計，并且您在計算機接口的布局和布線方面有經驗，那么您就知道一件事是正確的：在器件應用說明中會有一些推薦的設計建議，并不是這些建議總是錯誤的，而是這些建議很容易斷章取義。

一位同事向我提出的一項建議是，在離散磁鐵和連接器之間布線時，在RJ45連接器下方使用接地層。一些應用說明建議將系統接地覆蓋RJ45連接器下方，一些應用說明建議將接地平面拆分為系統和機箱部分，以提供更強的隔離。應用說明中的一些建議指出，PHY、磁體和/或RJ45插孔下方應完全省略接地層。

那么哪一個是正確的呢？與我一起工作的設計師以及我們最近開發的電路板始終包括一個系統平面，其機箱切口一直延伸到RJ45的邊緣，即使多個連接器并聯放置。當我在論壇上瀏覽不同的建議時，其他專業設計師聲稱他們從來沒有遇到過移除共模扼流圈輸出端和RJ45之間的所有地平面區域的問題。讓我們更深入地研究一下，看看我們是否能夠理解這些差異產生的原因，以及何時適合在RJ45連接器下使用連續平面、拆分平面或無平面。

以太網布局和地平面的功能

為了進一步了解以太網系統和連接器不同部分下面的接地層的概念，讓我們簡要介紹一下以太網和RJ45連接器的布線要求。以太網系統由MAC/PHY接口（通常集成到單個IC中）、用于共模噪聲抑制和端接的磁性電路、用于端接的其他無源器件（通常為上拉或戴維南端接）和RJ45連接器組成。Rx和Tx線路在整個系統中并行布線。無源器件的數量、值和排列取決于確切的布線標準（例如，Base-T與以太網供電）和PHY接口。

MAC/PHY、磁性電路和RJ45連接器之間的記錄道作為具有定義阻抗的差分對布線。注意，這包括離散磁電路內的布線。差分阻抗設置為100歐姆，以提供與電纜差分阻抗的匹配。通常首選較短的布線，尤其是在較高頻率（如千兆以太網和更高）下，以減少損耗。每個使用以太網的人都非常清楚這些要求。圍繞接地層（一個或多個接地層）的爭議始于放置離散磁鐵和與PHY和RJ45連接器相關的終端所需的任何其它器件。通常有三種可能性：

選項1：將系統接地至RJ45連接器，無論連接器中是否集成了磁性元件；

選項2：使用分割接地平面，其中機箱接地位于RJ45下方，系統接地延伸至共模扼流圈的輸入邊緣；

選項3：在磁性輸入和RJ45接頭之間不放置接地層。

這個問題的答案取決于以下幾點：在共模扼流圈附近，接地層中的隨機位移電流（噪聲）如何表現，磁鐵是否集成到連接器中，以及磁鐵和RJ45之間是否需要機箱接地以確保EMI保護和隔離。在我們了解這些選項中的哪一個客觀上最適合在PHY、磁性和RJ45連接器之間進行路由之前，有助于回顧總體設計目標：

設計目標1：ESD/過壓保護。802.3標準規定以太網PHY必須與系統的其余部分隔離，以便在50至60 Hz的頻率下承受高達1500 V（RMS）的高壓交流60秒；

設計目標2：噪音隔離。應防止電纜上拾取的任何噪聲耦合回PHY和板的其余部分；

設計目標3：共模噪聲分流器。任何接地區域中的共模噪聲都應通過低阻抗路徑從磁性和PHY側轉移。

所有這些設計目標都可以通過選項1-3以不同的方式實現。多個接地層的布置/耦合，或單個連續接地層的使用，將決定通過傳播噪聲電流看到的隔離、ESD保護和阻抗水平。為了更好地理解選項1-3，讓我們看看如何為帶有分立和集成磁性的RJ45連接器安排接地。

集成與離散磁體

下圖（圖 5）顯示了 100 Mbps 以太網的示例原理圖，在 PHY 附近采用典型的上拉電阻方案，用于端接，并在變壓器中心抽頭處為共模噪聲分流連接 [1]。此示意圖旨在顯示分立磁體的接地區域的放置，但它也適用于具有集成磁體的 RJ45 連接器。 PHY 的輸出和磁輸入之間的距離應至少為 25 mm。此處的目的是在磁體和 PHY 之間提供足夠的隔離，盡管使這些線路過長會導致更大的衰減，并且這種衰減在較高頻率時更大。在這兩種類型的連接器中，共模電容器也可以放置在末端抽頭上，作為磁輸入處系統接地的分流器，以提供更高的高頻噪聲抑制。

上圖顯示了一個屏蔽的 RJ45 連接器，其中屏蔽層與 Bob Smith 終端電阻旁邊的機箱接地連接。如果我們使用非屏蔽 RJ45，則連接器護罩沒有機箱接地連接。請注意，STP 電纜需要與屏蔽 RJ45 連接器一起使用，但 UTP 電纜可以與屏蔽或非屏蔽 RJ45 連接器一起使用。在非屏蔽電纜上使用屏蔽連接器在抑制電纜中接收到的 EMI 方面沒有任何好處，但在實際的以太網系統中也不會造成問題。

千兆以太網和更快的以太網將使用類似的方案，在磁性元件中有四個差分對和共模扼流圈。Bob Smith 終端幾乎總是用于磁性變壓器輸出側的中心抽頭。一些人認為 Bob Smith 端接方案不是最佳選擇，使用不同的端接方案可以實現更低的回波損耗。

對于帶有集成磁性元件的 RJ45 連接器，系統接地層應延伸到連接器的邊緣，以便為連接器的差分線路提供連續阻抗。系統平面也應該運行到離散磁體；在這兩種類型的連接器中，如果連接器被屏蔽，則連接器屏蔽層連接到機箱接地以進行 ESD 保護并提供對高頻噪聲的屏蔽。這在設備可能存在于高壓源或無線電設備附近的工業環境中很有用。我看到的許多應用手冊都指出，磁性元件下方的區域不應填充接地層。這就留下了以太網路由中最后一個未解決的問題和爭論的根源：我們是否在磁輸出和 RJ45 之間擴展了一個接地區域（系統和/或機箱）？

機箱和系統接地布局

選項 1

可視化選項 1 相當簡單：只需在整個第二層運行系統接地層。系統接地將在磁性元件下方延伸并延伸至 RJ45 連接器。屏蔽連接器將緊靠機箱和外殼，因此其內部屏蔽將參考回系統接地。

對選項 1 的反對意見是，系統接地層連接器區域中的噪聲電流可以通過耦合到磁性元件中將共模噪聲耦合回 PHY 側（設計目標 2 和 3）。這里的另一個反對意見與設計目標 1 相關：以太網 PHY 應該在 802.3 標準下與系統的其余部分電隔離，并且接地層為 ESD 脈沖到達 PHY 和其他組件提供了低阻抗路徑. 提供返回機箱的低阻抗返回路徑，最終電源返回點仍可提供 ESD 保護和噪聲吸收器。

理想情況下，您希望噪聲電流沿著定向路徑返回地面，而不是通過隔離柵耦合。從接地平面耦合回磁性元件并進入系統平面的 PHY 側的共模噪聲將以容性或感性方式進行。理想情況下，磁性元件應具有低漏電感和低漏電容/返回接地層的寄生電容。對于速度較低的以太網，漏電感將主導噪聲傳輸，因為載波頻率較低。相比之下，電容寄生將在更高的以太網速度下占主導地位，因為載波頻率更高。

為滿足選項 1 的所有三個設計目標，這需要將組合系統平面以非常低的阻抗連接到機箱。在我看來，這種方法最適用于集成屏蔽 RJ45 連接器，因為 ESD 脈沖或噪聲可以立即分流回機箱。但是，不需要直接連接到屏蔽 RJ45；只要機箱有低阻抗連接，人們就會期望非屏蔽 RJ45 連接器能夠正常工作。

請注意，如果沒有正確規劃返回路徑，則連續接地層可能會導致數字和模擬部分之間出現干擾形式的 EMI 問題。此外，將平面上的多個點連接回機箱可以使電流形成通過機箱的環路，當系統平面和機箱之間存在很強的接地反彈電位時，會產生潛在的大型輻射器 。

選項 2

接下來，讓我們看看選項 2。指定運行接地到 RJ45 連接器的應用手冊指出，PCB 中應使用機箱接地區域。這在上面的示意圖（圖 5）中顯示在磁性元件的輸出側，其中電阻器部分（R7-R9 = 75 歐姆）也通過 Bob Smith 終端連接回機箱接地部分。但是，選項 2 下的布局建議指定在物理上分離機箱和系統平面。對于分立磁性元件，無源元件需要放置在 PCB 上的某個位置并連接回地，因此在表面層下方必須有一個接地區域，或者至少在表面層上有一些接地，以提供與機箱的連接地面。如圖 7 所示。

在這里，您有兩個獨立的接地部分：系統接地和 PCB 中連接到機箱接地的平面區域。您如何確保它們保持相同的潛力？機箱接地區域應連接到其他接地，以消除這些區域之間的電位差。這可以通過低阻抗路徑完成；將系統平面機械固定到機箱或在機箱和系統接地區域之間使用 0 歐姆電阻器這樣簡單的操作就足夠了。放置高壓電容器是橋接兩個平面同時將高頻噪聲從磁體中引導出來的另一種策略。這樣做的問題是，如果設計不當，您可能會在兩個部分之間產生較大的環路電感返回路徑。

圖 7 的一個變體是簡單地使用一個連續接地層，并為共模扼流圈切出一個大孔。不要這樣做：您已經創建了一個大的導體環，它可以接收 EMI 并在系統的關鍵區域（即共模扼流圈之后）引發共模噪聲。您基本上已將總共模抑制比 (CMRR) 減半。

圖 8顯示了選項 2 的另一個變體。這包括在系統接地層中放置一個接地切口，該接地層一直延伸到電路板邊緣，然后在 RJ45 連接器下方放置一個機箱層。Bob Smith 終端網絡然后被放置在一邊并連接回系統平面。可以使用 0 歐姆電阻或內部過孔將兩個平面部分設置為相同的直流電勢。然后可以將 RJ45 連接器護罩直接參考回機箱接地層。

然后將機箱通過低阻抗路徑連接回系統接地。應用說明指出應使用 0 歐姆電阻，而其他人建議使用電容器。從 ESD 的角度來看，最好的連接方式是將它們以機械方式連接回機箱。同樣，如果沒有仔細規劃返回路徑，我們在磁性元件附近存在接地電流并在 PHY 附近感應噪聲的可能性相同。

選項 3

最后，讓我們看看選項 3。對于集成磁性元件，系統接地將延伸到連接器的邊緣（參見圖 6，右面板），因此選項 3 僅適用于具有離散磁性元件的布局。在這種情況下，分立磁輸入和連接器輸入之間沒有接地層；您有阻抗受控但沒有接地層屏蔽的差分對。

您仍然需要在整個系統中提供統一的參考電位。典型的建議是使用高壓電容器橋接這兩個區域，如選項 2 中所示。您唯一的其他選擇是在機箱和系統接地之間使用長路徑直接連接，類似于圖 7所述.我在移除磁性元件和 RJ45 連接器之間的接地層時遇到的一個問題是差分對之間的差分串擾的可能性。這對于千兆以太網（它使用四個差分對）和速度更快來說更令人擔憂，并且它會在附近的信號線中產生噪聲，特別是在具有多個以太網連接器的電路板中。

此外，這部分電路下方沒有任何接地可能會產生與圖 7 相同的返回路徑問題；存在為噪聲創建大環路電感返回路徑的風險。盡管我對選項 3 有意見，但它的使用是有目的的，而且它可以按設計工作并通過 EMC 測試。對于屏蔽 RJ45，與其將 ESD 電流轉入電路板上的機箱接地層，不如將 ESD 電流直接轉入機箱本身。機箱和系統接地層之間的大物理隔離可以提供更高的隔離度，目標是超過 802.3 標準中的 1500 V 要求。如果布局正確，只要有低阻抗路徑返回電源回路，接地區域連接器側的噪聲電流就可以從磁性元件和 PHY 轉移出去。在接收高頻噪聲和 ESD 方面，在選項 3 中使用屏蔽導體是更好的選擇，因為它可以通過低阻抗連接直接集成到機箱中。

其他不良接地建議

您將看到的另一個常見系統接地建議是將接地平面物理拆分為 PHY 輸出處的數字和模擬區域。確保這兩個平面之間接地電位一致的典型方法是將模擬平面和數字平面與旁路電容器連接起來。我經常在其他情況下看到這個建議，我覺得這個建議沒有必要。在分離的數字和模擬平面之間使用旁路電容器旨在提供不同部分之間的返回路徑，但這可能會產生額外的 EMI 問題。特別是，提供通過旁路電容器的返回路徑會為模擬模塊中的電路產生較大的環路電感，這會增加對外部 EMI 和內部串擾的敏感性。如果您正確規劃了返回路徑，則無需使用分離平面或旁路電容器。

最后的想法

總而言之，RJ45 連接器布局的重點圍繞著正確接地、低環路電感、足夠的 EMI 屏蔽、ESD 隔離和電路板中的返回路徑規劃。從環路電感和 EMI 屏蔽的角度來看，選項 1 和 2 是最好的，盡管它們需要仔細的布局規劃。從 ESD 角度來看，選項 3 可以說是最好的，只要接地布置設計正確，盡管存在在系統中為共模噪聲創建大環路電感路徑的危險。如果在上述任何選項中使用屏蔽 RJ45，重要的一點是確保連接器屏蔽與機箱的連接阻抗非常低，然后需要一個低阻抗路徑到系統接地。還要確保機箱和輸出變壓器中心抽頭之間的路徑具有足夠低的阻抗，以穩定直流偏移并將機箱、RJ45 連接器屏蔽層和系統接地之間的任何電壓差降至最低。對于非屏蔽 RJ45，這是一個有爭議的問題；只需關注機箱和系統之間的低阻抗連接，即可提供 ESD 保護、噪聲隔離和遠離磁性元件和 PHY 的低阻抗路徑。

如果布局得當，即如果存在足夠低的阻抗路徑以將噪聲和 ESD 從磁性元件/PHY 轉移開，則選項 1 可以很好地工作。

眾所周知，只要沒有接收 EMI 的大環路電感路徑，選項 3 就可以很好地用于隔離和 EMC。這可能需要差分對之間的間距更小，以降低噪聲敏感性，同時保持 100 歐姆差分阻抗。

選項 2 是選項 1 和 3 的混合體，具體取決于去除了多少地面；您必須通過低阻抗路徑來平衡接地層間隙與接地連接。

與我合作的設計人員選擇使用圖 8 中的分割方法連接到 RJ45 連接器的接地層（分立磁性元件的選項 2），或者僅將系統接地連接到 RJ45（無論磁性元件放置如何）。兩者都可以設計為確保機箱和系統接地之間的低環路電感路徑，并在共模扼流圈之后提供與該區域中其他電路塊的一些隔離。混合信號系統中的隔離可以通過表面層上的接地填充來增加，然后將其連接回系統接地。在布局和布線期間需要仔細規劃返回路徑，以使其正常工作，但如果您已正確完成所有操作，則在共模扼流圈之后可以從其他電路塊接收到更少的共模噪聲。

來源：微信公眾號《PCB設計指南》