淺析基于車載以太網(wǎng)的BACK-TO-BACK電路板設(shè)計(jì)

劉 旭，鄭子健，張殿明，崔根群

（1.河北工業(yè)大學(xué)，天津 300310；2.中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

1 收發(fā)器選型

目前行業(yè)內(nèi)支持車載以太網(wǎng)的收發(fā)器芯片且具有較為成熟方案的只有兩家，博通公司的BCM89810與BCM89811，以及恩智浦公司的TJA1100［1］。

TJA1100是NXP公司針對OABR推出的一款車載以太網(wǎng)專用PHY芯片，其MDI接口通過UTP（非屏蔽雙絞線）實(shí)現(xiàn)了100 Mb/s帶寬的數(shù)據(jù)收發(fā)，最小傳輸距離為15 m。所謂BACK-TO-BACK模式即只利用TJA1100收發(fā)器芯片，通過MII或者RMII接口實(shí)現(xiàn)器件PHY（物理層）的數(shù)據(jù)互傳，來驗(yàn)證車載以太網(wǎng)用于車載環(huán)境的可行性，并監(jiān)測傳輸速度是否達(dá)到預(yù)期帶寬。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有一些器件特性如：①針對非屏蔽雙絞線的物理鏈路，優(yōu)化了電容耦合電路設(shè)計(jì)；②優(yōu)化了PAM-3脈沖形狀，降低了高頻分量，降低了射頻輻射強(qiáng)度；③優(yōu)化了接收均衡器的設(shè)計(jì)，提高了傳輸距離；④可配置的發(fā)送脈沖幅度可有效降低芯片功耗；⑤外部使能管腳的設(shè)計(jì)可按照用戶使用需求有效降低功耗；⑥支持低功耗睡眠模式和本地喚醒機(jī)制；⑦支持網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程喚醒；⑧針對EMC需求，優(yōu)化了MII接口或RMII接口輸出驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度；⑨支持短路、短路電纜錯(cuò)誤診斷功能；⑩HVQFN-36小封裝設(shè)計(jì)，有效節(jié)省了PCB（印制電路板）空間；kMDI（物理層輸入/輸出接口）可滿足±6 000 V的人體靜電以及IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)的靜電防護(hù)；l器件滿足-40～125 ℃的汽車級溫度范圍要求；m滿足AEC-Q100車輛級器件品質(zhì)要求。

2 TJA1100外圍硬件設(shè)計(jì)

2.1 MII或RMII接口

PHY（物理層）和MAC（媒體存取控制）之間MII接口的具體連接細(xì)節(jié)：芯片與MAC之間分別通過4bit位寬的TXD［3∶0］和RXD［3∶0］，配合同步的時(shí)鐘TXC和RXC信號完成數(shù)據(jù)傳遞。RXC和TXC信號均為TJA1100 PHY芯片提供，其在MII接口通信中均為25 MHz，是PHY芯片通過其外部25 MHz時(shí)鐘源得來。TXEN和RXDV信號為數(shù)據(jù)傳輸控制信號，均是高電平有效。MII連接細(xì)節(jié)如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 MII連接細(xì)節(jié)

RMII接口的連接細(xì)節(jié)：發(fā)送和接收通過2 bit位寬的TXD［1∶0］和RXD［1∶0］，為了達(dá)到同樣的百兆雙向帶寬，接口的同步時(shí)鐘頻率提高到50 MHz，由PHY芯片TJA1100通過REF_CLK信號管腳提供。同MII接口使用的場景一樣，TJA1100使用的時(shí)鐘源一般為25 MHz的晶體振蕩器，其頻率漂移范圍為±100 ppm。RMII連接細(xì)節(jié)如圖3所示。

圖3 RMII連接細(xì)節(jié)

MII或RMII接口在實(shí)際PCB布線中要求走線盡量短，做到PCB走線的容性負(fù)載低于15 pF，從而保證信號線高速脈沖信號不會失真。另外，PCB上相關(guān)高速信號線的阻抗控制應(yīng)不低于50 Ω，走線長度延時(shí)不能大于1 ns（約為6 inch）。為了保證最好的EMC（電磁兼容）效果，在PCB的走線上，阻抗匹配使用的電阻可以在50 Ω左右的范圍內(nèi)微調(diào)。

2.2 MDI接口

MDI接口為PHY和雙絞線連接的接口，包括低通濾波電路、共模扼流圈、耦合電容、共模端接、線纜插接件。

電容耦合電路以及共模端接是TJA1100特有的，而共模扼流圈和低通濾波電路是車載以太網(wǎng)PHY芯片使用中的典型設(shè)計(jì)電路。MDI接口作為傳輸端口，要求連接電纜差分阻抗為100 Ω，而差分阻抗上的偏差將直接影響某些輸入信號部分的反射情況。信號的反射情況將通過回波損耗（Return Loss）這個(gè)參數(shù)來度量，回波損耗的絕對值越大，其傳輸效果越好，反之將會影響信號的傳輸情況。MDI接口如圖4所示。

圖4 MDI接口

3 TJA1100應(yīng)用電路

雙絞線上應(yīng)用電容耦合實(shí)現(xiàn)了信號的隔離。由于汽車環(huán)境工況復(fù)雜，電磁兼容（EMC）性能要求較高，所以為了應(yīng)對實(shí)際工況下的EMC需求，在信號路徑中引入了共模扼流圈，一方面保證能夠?yàn)V除信號線上的共模電磁干擾，另一方面也要抑制其本身不能向外發(fā)出電磁干擾，并且將耦合電容加載在共模扼流圈和插接件之間。同樣也是考慮到電磁兼容要求，在VDD（IO）、VDDA（3V3） 和VDDA（TX）等電源管腳上使用由感性器件和電容搭建的π型濾波電路。而在插接件前端的π型濾波電路將根據(jù)電磁兼容實(shí)際測試的結(jié)果來判斷是否使用。

4 BACK-TO-BACK外圍接口電路

目前，市面上還沒有在車載以太網(wǎng)上圍繞TJA1100設(shè)計(jì)的產(chǎn)品。應(yīng)用恩智浦公司的TJA1100收發(fā)器芯片，利用其針對車載以太網(wǎng)獨(dú)有的BACK-TO-BACK模式設(shè)計(jì)PCB電路板，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)到車載以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)通信。驗(yàn)證TJA1100在車載以太網(wǎng)中收發(fā)數(shù)據(jù)的能力，并由此確定車載以太網(wǎng)在實(shí)車環(huán)境通信的可能性。同時(shí)，為了保證高速信號的信號完整性，以及板卡整體的EMC特性，轉(zhuǎn)換板的PCB采用了4層的疊層設(shè)計(jì)（即表層和底層為走線層，中間層為電源平面層和地面層，為表層高速信號線提供鏡像層）。PCB中關(guān)鍵芯片的布局避開了PCB的中心位置，保證正常范圍內(nèi)的PCB形變不會對器件的焊接產(chǎn)生破壞影響。為了得到板卡更好的EMC特性，表層和底層同樣進(jìn)行了鋪銅處理，并通過密集的過孔將表層地平面和中間層的地平面連接到一起。BACK-TO-BACK板設(shè)計(jì)目標(biāo)除了驗(yàn)證車載以太網(wǎng)PHY芯片TJA1100外，還可以成為后期車內(nèi)以太網(wǎng)開發(fā)的工具，便于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)設(shè)備和車載以太網(wǎng)設(shè)備間進(jìn)行對接。

在此驗(yàn)證環(huán)境中，選擇的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)PHY芯片是一款百兆以太網(wǎng)收發(fā)器，其具有以下技術(shù)特點(diǎn)：①動(dòng)態(tài)的功耗調(diào)整；②MII接口電平遵循LVCMOS標(biāo)準(zhǔn)，電壓范圍從1.6～3.6 V；③MDI接口自動(dòng)極性識別；④5×5 mm的32pin QFN封裝；⑤支持自環(huán)回模式；⑥支持與對端連接自協(xié)商；⑦-40～85 ℃的工作溫度范圍。

硬件設(shè)計(jì)中，考慮到MII（媒體獨(dú)立接口）的傳輸速率，以及其單線布線的阻抗要求，在數(shù)據(jù)線以及時(shí)鐘發(fā)送端均進(jìn)行了源端阻抗匹配，串接了阻抗匹配電阻，滿足高速信號傳輸要求。

對于TJA1100的外圍電路設(shè)計(jì)，首先MII接口需要設(shè)置工作在Reverse模式下后，其RX相關(guān)信號除了時(shí)鐘信號RXC外，仍為輸出模式，保證其既可作為發(fā)送傳輸，又可以在另一端作為信號輸入。

TJA1100作為數(shù)模混合功能芯片，其內(nèi)部MDI收發(fā)器等模擬電路部分對供電電源品質(zhì)要求較高。設(shè)計(jì)中，由于磁珠有很高的電阻率和磁導(dǎo)率，可以抑制信號線，吸收高頻信號，對此，在此電路中通過利用磁珠等感性器件的高頻阻抗特性，形成π型濾波電路，對電源管腳進(jìn)行電源濾波處理，同時(shí)也降低了芯片本身對外部電源的高頻信號干擾。

在PCB設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，盡量拉近了2個(gè)PHY芯片之間的距離，降低MII接口走線長度，保證單端信號容性負(fù)載低于15 pF、50 Ω，單端信號走線導(dǎo)致的信號傳輸延時(shí)小于1 ns。由此保障信號穩(wěn)定高速傳輸。

5 BACK-TO-BACK連通性驗(yàn)證

BACK-TO-BACK模式連通性測試環(huán)境包含2臺PC機(jī)，2塊包含BACK-TO-BACK的PCB板。該環(huán)境通過1對雙絞線將2塊PCB板連接，實(shí)現(xiàn)車載以太網(wǎng)數(shù)據(jù)連通。PCB板兩端分別連接1臺PC機(jī)，觀察數(shù)據(jù)傳輸效果。數(shù)據(jù)傳輸正常，證明TJA1100的BACK-TO-BACK模式可以實(shí)現(xiàn)車載以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸。

6 BACK-TO-BACK模式測速驗(yàn)證

BACK-TO-BACK模式測速環(huán)境包含2塊IMX6Q開發(fā)板。TCP數(shù)據(jù)包在車載以太網(wǎng)環(huán)境下可以正常發(fā)出，連通性沒有問題，并且傳輸速率保持在94.2 Mbit/s，與預(yù)期的100 Mbit/s傳輸速率基本無差別。說明將傳統(tǒng)以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換成車載以太網(wǎng)模式進(jìn)行傳輸并應(yīng)用于車載環(huán)境是可行的。

7 結(jié)束語

根據(jù)恩智浦公司研發(fā)的車載以太網(wǎng)級專用收發(fā)芯片TJA1100，應(yīng)用其獨(dú)有的BACK-TO-BACK模式設(shè)計(jì)的PCB板，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)與車載以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)通信。通過2塊PCB板的單對雙絞線互連，再通過2臺計(jì)算機(jī)觀察車載以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的通信情況，驗(yàn)證TJA1100在車載以太網(wǎng)中收發(fā)數(shù)據(jù)的能力，并由此確定車載以太網(wǎng)在實(shí)車環(huán)境通信的可能性。

［1］ 恩智浦.恩智浦宣布推出全系列車載以太網(wǎng)產(chǎn)品組合［J］.電子產(chǎn)品世界，2015（9）：70.