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    新聞資訊

    硬件網絡接口規范

    2023-10-13 02:10:11 ? 55

    一、RJ45接口規范

    1、基本物理接口:

    a).RJ45接口作為最基本的網絡接口之一有兩種形式,對于千兆網口有4條線,兩對差分線;對于千兆網口有4對差分線,RJ45水晶頭是有8個凹槽和8個觸點(8p8c)的接頭,RJ45接口分為集成網絡變壓器和非集成網絡變壓器兩種,具體參見下一小節;

    b) RJ11水晶頭一般都是4芯的,常用來連接電話和調制解調器。需要注意的是,RJ11通常指的是6個位置(6針)模塊化的插孔或插頭,但是只有4針被用到,RJ11通常只有6個凹槽和4個觸點(6p4c)的接頭;

    00.jpg

    c) RJ45水晶頭接線時有兩種線序標準:T-568A和T-568B。通過采用不同的標準,最后制作成的網線有直通型和交叉型兩種?,F在所有的網線制作都采用的是568B,線序如下(橙白、橙、綠白、藍、藍白、綠、棕白、棕):

    01.jpg

     

    2、網絡變壓器與RJ45接口

    a) 在以太網設備中,通過PHY芯片(物理層的網絡轉換芯片)接RJ45時,中間都會加一個網絡變壓器。有的變壓器中心抽頭接到地。而且接電源時,電源值又可以不一樣,3.3V,2.5V,1.8V都有。這個變壓器的作用分析如下:

    中間抽頭為什么有些接電源?有些接地?這個主要是與使用的PHY芯片UTP口驅動類型決定的,這種驅動類型有兩種,電壓驅動和電流驅動。電壓驅動的就要接電源;電流驅動的就直接接個電容到地即可!所以對于不同的芯片,中心抽頭的接法,與PHY是有密切關系的,具體還要參看芯片的datasheet和參考設計了。

    為什么接電源時,又接不同的電壓呢?這個也是所使用的PHY芯片資料里規定的UTP端口電平決定的。決定的什么電平,就得接相應的電壓了。即如果是2.5v的就上拉到2.5v,如果是3.3v的就上拉到3.3v,因此網絡變壓器具有適配不同電壓的功能。

    這個變壓器到底是什么作用呢,可不可以不接呢?從理論上來說,是可以不需要接變壓器,直接接到RJ45上,也是能正常工作的。但是呢,傳輸距離就很受限制,而且當接到不同電平網口時,也會有影響。而且外部對芯片的干擾也很大。當接了網絡變壓器后,它主要用于信號電平耦合。其一,可以增強信號,使其傳輸距離更遠;其二,使芯片端與外部隔離,抗干擾能力大大增強,而且對芯片增加了很大的保護作用(如雷擊);其三,當接到不同電平(如有的PHY芯片是2.5V,有的PHY芯片是3.3V)的網口時,不會對彼此設備造成影響。


    b)  網絡變壓器也被稱作“數據汞”,也可稱為網絡隔離變壓器。

    它在一塊網絡接口上所起的作用主要有兩個,一是傳輸數據,它把PHY送出來的差分信號用差模耦合的線圈耦合濾波以增強信號,并且通過電磁場的轉換耦合到不同電平的連接網線的另外一端;一是隔離網線連接的不同網絡設備間的不同電平,以防止不同電壓通過網線傳輸損壞設備。除此而外,數據汞還能對設備起到一定的防雷保護作用。它主要用在網絡交換機、路由器、網卡、集線器里面,起到信號耦合、高壓隔離、阻抗匹配、電磁干擾抑制等作用。

     02.jpg

    如上圖中左邊所示為共模扼流圈(CMC:Common Mode Choke),也叫共模扼制電感,是在一個閉合磁環上對稱繞制方向相反、匝數相同的線圈。理想的共模扼流圈對L(或N)與E之間的共模干擾具有抑制作用,而對L與N之間存在的差模干擾無電感抑制作用。但實際線圈繞制的不完全對稱會導致差模漏電感的產生。信號電流或電源電流在兩個繞組中流過時方向相反,產生的磁通量相互抵消,扼流圈呈現低阻抗。共模噪聲電流(包括地環路引起的騷擾電流,也處稱作縱向電流)流經兩個繞組時方向相同,產生的磁通量同向相加,扼流圈呈現高阻抗,從而起到抑制共模噪聲的作用。共模電感實質上是一個雙向濾波器:一方面要濾除信號線上共模電磁干擾,另一方面又要抑制本身不向外發出電磁干擾,避免影響同一電磁環境下其他電子設備的正常工作。


     c) 網絡變壓器PCB設計要點:

    • 營造一個無噪音,電源穩定的環境;

    • 減少EMI、EMC對芯片的影響;

    • 簡單的信號布線,減小走線長度;

    • 網絡變壓器靠近以太網口,以太網芯片PHY靠近變壓器;

    • 網絡變壓器的中心抽頭電容放置在引腳的背面;

    • 集成變壓器的以太網口需要將除差分信號引腳外的區域挖空,非集成網絡變壓器的以太網口需要挖空整個以太網口和網絡變壓器;

    • 非集成網絡變壓器以太網口,初級差分線可以忽略阻抗要求,線寬根據實際情況加寬,并保持走線最短,次級差分按照100歐姆阻抗的差分線要求處理;

    • 機殼地線走線加粗,一般采用1mm,機殼地與板的邊緣間距要大于等于1mm;

    • 變壓器中心抽頭線需要加粗;

    • 等長要求,TX與TX做等長,RX與RX等長,組內控制到2.5mil以內,組間控制在10mil以內;

    • 對于以太網芯片,TX和RX最好分不同的層走線,如果同層,線間距為4W,以太網芯片發熱量高,需要增加散熱孔并在背面開窗;

    • 沿單板PCB網口的邊緣,每隔250mil打一個接地過孔,這些過孔排可以切斷單板噪聲向外輻射的途徑,減小對PGND靜地的影響;

    • 注意網口變壓器芯片側中心抽頭對地的濾波電容要盡量靠近變壓器管腳,保證引線最短分布電感最??;

    • 要保證電源平面相鄰信號線回流路徑的完整性,否則要改變平面形狀,使信號線處在平面層內,回流路徑的不完整會帶來嚴重的EMC問題;

         

      d) 網絡變壓器實際生產中常測試的基本參數:

          1、開路電感(OCL):Open Circuit Inductance   

          2、漏電感:Leakage Inductance,與變壓器耦合系數有關,(取決于繞線技術和磁芯)

          3、互繞電容:Interwinding Capacitance。小的話對于變壓器信號沒有影響,過大則為共模電流提供低阻抗路徑,由此會產生不利效果   

          4、直流阻抗:DC Resistance RL1、RL2   

          5、變壓器變壓比:Turn Ratio,初級和次級線圈匝數比   

          6、插入損耗dB:Insertion Loss=20Xlog(V1/V2),其中V1為插入變壓器后輸出端的電平,V2是未插變壓器時輸出端電平。此參量用以衡量插入變壓器后對傳輸信號的影響,越小越好。一般指網絡變壓器對信號衰減程度與信號頻率之間的關系曲線   

          7、回波損耗dB:Return Loss,衡量插入網絡變壓器后系統阻抗失配程度與信號頻率之間的關系曲線Return Loss=20Xlog(Vr/Vi),其中Vr為反射信號幅度,Vi為入射信號幅度

          8、交越干擾dB:Cross Talk,兩個單元電路中的一個單元電路中的信號V1與感應到另一個單元電路中的信號V2之比值Cross Talk =20Xlog(V2/V1)   

          9、共模抑制比dB:CMRR=20Xlog(Vout/Vin),網絡變壓器輸入端的共模干擾信號幅度Vin與輸出端的共模干擾信號幅度Vout之比值

          10、隔離電平:Isolation HOT-POT 以上十項都是華強盛在實際生產過程中常常測試的參數,其不同的測試參數分別需要不同的測試儀器進行測試。


    3、數據在網線上傳輸的方式(參看REF2):

    1、簡化的數據線傳輸模型:

    a六類雙絞線實現千兆以太網時的工作頻率是 250MHz,即每根銅線中的電流一秒鐘都會改變250 000 000 次,每一次都會攜帶一個電壓:我們假設為 -5V 和 0V,代表 0 和 1,那么只需要四根銅線就能夠實現 1Gbps 的單向帶寬,另外四根用于實現反向 1Gbps 的帶寬;當然對于具有POE輸出功能的情況下,其輸出的電壓幅度為標準的48V。

    b超五類雙絞線實現千兆以太網時只有 125MHz 的頻率,它采用一個電壓表示兩個位的方法來實現千兆網絡:即一個電壓代表 00 或 01 或 10 或 11。我們假設這四個電壓分別是: -5V -3.5V -2V 0V。這樣每兩根銅線合在一起恰好可以實現 250Mbps 的雙向傳輸(還需要兩端設備支持串擾消除技術),八根銅線恰好實現 1Gbps 雙向帶寬。

     

    2.超五類雙絞線和六類雙絞線比較:

    超五類雙絞線和六類雙絞線雖然都能實現千兆網絡,但是我們可以看出兩者是截然不同的兩種技術:六類雙絞線由于本身電氣性能有很大優勢,所以需要的設備更簡單,抗干擾能力更強,而超五類可以說是“勉強”實現了千兆網絡,抗干擾能力差;如果電壓因為電路問題或者受到外部干擾而產生了一些變化,很可能導致數據傳輸錯誤導致校驗失敗而引發重新傳輸,結果就是實測帶寬無法達到千兆。有案例遇到過超五類雙絞線因為線材受損導致網絡連接速度在 1G 和 100M 之間跳躍,最終導致網卡自動關閉的事情。

     

    二、POE網絡電源基礎

     

    1、POE電源基本概念

    POE(Power Over Ethernet)也被稱為基于局域網的供電系統(POL,Power Over LAN)或有源以太網,也可以稱為以太網供電,這是利用現存標準以太網傳輸電纜的同時數據和電功率的最新標準規范,并保持了與現存以太網系統和用戶的兼容性。

    標準的POE電源供電端輸出端口在非屏蔽的雙絞線上輸出44~57V的直流電壓,標準電壓為48V,以及350mA~400mA的直流電,電源由網口差分線載流進來,從網絡變壓器前端輸出到POE電源轉換電路,從而提供單板上使用的12V的直流電。

    功率等級劃分標準:802.af標準PSE端口輸出功率為15.4W,PD接受功率為12.95W,802.3at PSE輸出功率為30W,PD接受功率為25.5W

     

     2、基本原理如下:


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    由于進入到RJ45接口的差分電壓標準也是按照標準的POE電源輸出標準輸出的,因此在4對差分信號線中,差分電壓都是48V,由于差分數據線上的傳輸速率非常高,因此相當于高頻差分信號,通過在網絡變壓器中心抽頭中獲得一對差分信號,這樣便能夠得到+48V到-48V變化的方波交流電,通過整流橋即可得到48V的DC直流電,通過后端的AS1138芯片對電源進行變壓、紋波濾除等,最終輸出5V或者12V的POE電源。(POE電源受電端PD選擇的差分線對需要根據電源提供端PSE輸出端的電源分配情況),網絡變壓器的輸出耦合端將低電壓的高速數據信號傳輸至PHY物理層網絡芯片端完成數據的傳輸。

     

    3、POE供電方案:

    PoE標準為使用以太網的傳輸電纜輸送直流電到POE兼容的設備定義了兩種方法

    a)中間跨接法(Mid-Span)

    使用以太網電纜中沒有被使用的空閑線對來傳輸直流電,應用于普通交換機與網絡終端設備之間,可以通過網線給網絡終端設備供電,Midspan PSE(中跨供電設備)是一個專門的電源管理設備,通常和交換機放在一起。它對應每個端口有兩個RJ45插孔,一個用短線連接至交換機,另一個連接遠端設備。

     04.jpg

    b)末端跨接法(End-Span)

    是在傳輸數據所用的芯線上同時傳輸直流電,其輸電采用與以太網數據信號不同的頻率。相應的Endpoint PSE(末端供電設備)有支持POE功能的以太網交換機、路由器、集線器或其他網絡交換設備??梢灶A見End-Span會迅速得到推廣,這是由于以太網數據與輸電采用公用線對,因而省去了需要設置獨立輸電的專用線,這對于僅有8芯的電纜和相配套的標準RJ-45插座意義特別重大。

    05.jpg

    4、TPlink的POE供電設備PSE端:

    拆除TPlink的TL-SG1005P的POE設備,基本分為如下若干設備:53.5V-DC直流電源輸入、WAN口數據Data數據轉換中心、POE電壓輸出隔離變壓器(共軛線圈)、POE網絡接口RJ45-W03(不自帶網絡變壓器),其中接口的線序圖所示


    06.jpg


    通過萬用表短接測試,通電和非通電狀態下的電壓分配情況:

    • 1&2為一組差分線,中間存在連接的電感線圈,因此電阻為零,這也是POE供電線的選擇之一(負極);

    • 3&6作為一組差分線,中間存在電感,是POE供電線之一(正極);

    • 4&5為短接狀態,這是千兆網傳輸差分線之一;

    • 7&8為短接狀態,也是千兆網傳輸的數據差分線之一;


    該TPlink設備使用了TI的TPS23861型號的IEEE 802.3at標準POE-PSE控制器,通過檢測供電端口電流情況,確定是否對設備進行供電,具體典型電路如下

    07.jpg

     

    其中GATE、DRAIN、SEN三個引腳用來控制電路的通斷情況,SEN引腳用來檢測電流情況,GATE用來控制外部大功率MOS管的通斷特性,DRAIN用來提供基礎的漏極電壓。在未接入PD設備時,GATE通過通斷MOS管來實現外部設備的通斷供電,在負載未滿足要求時,則SEN探測到的基礎電流很小,此時GATE將不會處于常開狀態,而當有負載存在是,回流到SEN中的電流就會很大,此時芯片檢測到滿足要求的電流將GATE門處于長開的狀態,這樣就實現了POE設備供電的檢測電路。

     

    5、 PD設備端的電路設計: 

    根據前述POE供電方案存在中間跨接法以及末端跨接法兩種方式,對于PD設備應該盡量設計成同時兼容兩種模式的電源電路:


    08.jpg

     

        如上圖所示,是中間跨接法的電路圖,其中POE的供電方式采用的是直接使用網線雙絞線編號4&5-7&8兩組線來進行供電,供電的方式可以是交流電也可以是直流電,通過兩組網線直接向PD設備進行48V的供電,整流橋的作用就是在于無論是直流電還是交流電都能保證電路的正常工作,兩組整流橋及DC-DC電路的作用在于兩種供電方式的兼容。壓敏電阻相關電路用來防止供電電壓過大或者雷擊對后端電路造成影響。

     

    下面是末端跨接法POE供電系統圖


     09.jpg

     

    對于千兆網絡,由于每一個引腳都需要用來進行數據的傳輸,因此可以采用末端跨接法來傳輸電源功率,在網絡變壓器端,通過共軛線圈的方式耦合高頻數據信號,而低頻電壓電流功率提供則可以直接在中心抽頭上直接獲取,在經過后端的電壓電平轉換電路即可完成電壓的提供。

    勘誤01:上圖中要注意變壓器的共模抑制一側應該接在RJ45接口一側,去除雙絞線上高頻共模電壓噪聲,而直流POE供電,共模抑制電路不影響其傳輸。

    Notice01:市面上的某些PSE供電設備,使用的是中間跨接的供電方式,因此只有100M網口的網速!需要引起注意!

     10.jpg

     

    6、 PoE供電協商流程

    PSE設備上電,PD設備通過網絡連接到PSE設備后,PSE與PD就開始進行供電協商:

     1、檢測PD:PSE在端口周期性輸出電流受限的小電壓,用以檢測PD設備的存在。如果檢測到特定阻值的電阻,說明線纜終端連接著支持IEEE 802.3af標準或IEEE 802.3at標準的受電端設備(電阻值在19kΩ~26.5kΩ的特定電阻,通常的小電壓為2.7V~10.1V,檢測周期為2秒)。

    2、供電能力協商即PD設備分類過程:PSE對PD進行分類,并協商供電功率。供電能力協商不僅可以通過解析PSE與PD發送的電阻實現的,還可以通過鏈路層發現協議LLDP(Link Layer Discovery Protocol)協議發現和通告供電能力進行協商。

    3、開始供電:在啟動期內(一般小于15μs),PSE設備開始從低電壓向PD設備供電,直至提供48V的直流電壓。

    4、正常供電:電壓達到48V之后,PSE為PD設備提供穩定可靠48V的直流電,PD設備功率消耗不超過PSE最大輸出功率。

    5、斷電:供電過程中,PSE會不斷監測PD電流輸入,當PD電流消耗下降到最低值以下,或電流激增,例如拔下設備或遇到PD設備功率消耗過載、短路、超過PSE的供電負荷等,PSE會斷開電源,并重復檢測過程。


    7、 PoE供電標準

    一般將IEEE 802.3af標準對應的供電技術稱為PoE供電,將IEEE 802.3at標準對應的供電技術稱為PoE+供電,將IEEE 802.3bt標準對應的供電技術稱為PoE++供電,也稱為4PPoE。三種供電技術對應的參數如下圖所示。


     11.png


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