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[導(dǎo)讀]在網(wǎng)口 RJ45 與 PHY 的連接設(shè)計(jì)中,常會(huì)看到多個(gè)高壓電容并聯(lián)的電路布局,這一設(shè)計(jì)并非偶然,而是基于多方面的考量,對(duì)保障網(wǎng)絡(luò)通信的穩(wěn)定與安全起著關(guān)鍵作用。

在網(wǎng)口 RJ45 與 PHY 的連接設(shè)計(jì)中,常會(huì)看到多個(gè)高壓電容并聯(lián)的電路布局,這一設(shè)計(jì)并非偶然,而是基于多方面的考量,對(duì)保障網(wǎng)絡(luò)通信的穩(wěn)定與安全起著關(guān)鍵作用。

首先,我們來(lái)了解一下網(wǎng)口 RJ45、PHY 以及它們之間的連接架構(gòu)。RJ45 是常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò)接口形式,用于連接以太網(wǎng)網(wǎng)線,實(shí)現(xiàn)設(shè)備與外部網(wǎng)絡(luò)的物理連接 。PHY(Physical Layer,物理層)則是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中負(fù)責(zé)處理物理層信號(hào)的模塊,它主要完成數(shù)據(jù)的編碼與解碼、信號(hào)的發(fā)送與接收等功能,是外界網(wǎng)絡(luò)和 MAC(Media Access Control,媒體訪問(wèn)控制)之間的通信橋梁。在二者之間,通常會(huì)接入一個(gè)網(wǎng)絡(luò)變壓器,其作用至關(guān)重要,不僅能增強(qiáng)信號(hào),使傳輸距離更遠(yuǎn),還能實(shí)現(xiàn)芯片端與外部的隔離,大大增強(qiáng)抗干擾能力,同時(shí)對(duì)芯片起到保護(hù)作用,例如在遭遇雷擊等高壓沖擊時(shí)。網(wǎng)絡(luò)變壓器把 PHY 送出來(lái)的差分信號(hào)用差模耦合的線圈耦合濾波以增強(qiáng)信號(hào),并通過(guò)電磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)換耦合到連接網(wǎng)線的另一端,隔斷了信號(hào)中的直流分量,還可以在不同 0V 電平的設(shè)備中傳送數(shù)據(jù)。

那么,為何要在網(wǎng)口 RJ45 與 PHY 之間的隔離設(shè)計(jì)中使用多個(gè)高壓電容并聯(lián)呢?這要從幾個(gè)關(guān)鍵的需求方面來(lái)分析。

一、應(yīng)對(duì)高壓沖擊與浪涌保護(hù)

在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中,設(shè)備可能會(huì)遭遇各種高壓沖擊和浪涌,如雷電感應(yīng)、電力系統(tǒng)切換等產(chǎn)生的瞬間高壓。這些高壓脈沖如果直接作用于 PHY 芯片,極有可能損壞芯片,導(dǎo)致設(shè)備網(wǎng)絡(luò)功能失效。理論上,系統(tǒng)中的變壓器應(yīng)將敏感的 PHY 與連接器上的脈沖隔離開(kāi)來(lái),但實(shí)際情況中,瞬態(tài)脈沖會(huì)通過(guò)變壓器的寄生電容進(jìn)行耦合,仍極大概率會(huì)損壞以太網(wǎng) PHY。

多個(gè)高壓電容并聯(lián)在此處可以起到一定的緩沖和箝位作用。當(dāng)高壓脈沖到來(lái)時(shí),電容能夠迅速充電,吸收部分脈沖能量,減緩電壓變化的速率,從而降低對(duì) PHY 芯片的沖擊。相比于單個(gè)電容,多個(gè)電容并聯(lián)能夠提供更大的電容量,以應(yīng)對(duì)不同能量級(jí)別的高壓脈沖。例如,一個(gè)電容的電容量為 C1,當(dāng) n 個(gè)相同電容量的電容并聯(lián)時(shí),總電容量 C 總 = nC1 。更大的電容量意味著可以存儲(chǔ)更多的電荷,更好地吸收高壓脈沖的能量。

此外,不同耐壓值的高壓電容并聯(lián)還能拓寬對(duì)不同電壓等級(jí)浪涌的防護(hù)范圍。比如,一個(gè)電容的耐壓值為 V1,另一個(gè)為 V2(V2 > V1),當(dāng)遇到電壓在 V1 和 V2 之間的浪涌時(shí),耐壓值為 V1 的電容先承受一部分電壓,當(dāng)電壓超過(guò) V1 后,耐壓值為 V2 的電容開(kāi)始發(fā)揮作用,協(xié)同 V1 電容共同應(yīng)對(duì)浪涌,從而為 PHY 芯片提供更全面的保護(hù)。

二、改善信號(hào)完整性與抗干擾

在高速網(wǎng)絡(luò)通信中,信號(hào)完整性至關(guān)重要。信號(hào)在傳輸過(guò)程中容易受到各種干擾,如電磁干擾(EMI)和射頻干擾(RFI),這些干擾可能導(dǎo)致信號(hào)失真、誤碼率增加,從而影響網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量。

多個(gè)高壓電容并聯(lián)可以在一定程度上改善信號(hào)完整性,增強(qiáng)抗干擾能力。電容具有通交流、隔直流的特性,在網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸中,交流成分的信號(hào)可以順利通過(guò)電容,而直流成分則被阻隔。多個(gè)電容并聯(lián)能夠形成一個(gè)更復(fù)雜的濾波網(wǎng)絡(luò),對(duì)不同頻率的干擾信號(hào)具有更好的濾波效果。例如,對(duì)于高頻干擾信號(hào),電容的容抗較小,能夠?yàn)槠涮峁┮粋€(gè)低阻抗的通路,使其旁路到地,減少對(duì)正常信號(hào)的影響;對(duì)于低頻干擾信號(hào),雖然單個(gè)電容的濾波效果有限,但多個(gè)電容并聯(lián)后,總電容量增加,對(duì)低頻干擾信號(hào)的容抗也相應(yīng)減小,同樣能夠起到一定的濾波作用。

同時(shí),在以太網(wǎng)信號(hào)傳輸中,存在共模信號(hào)和差模信號(hào)。共模信號(hào)是指在兩根信號(hào)線上以相同方向流動(dòng)的信號(hào),它會(huì)在對(duì)絞線的表面產(chǎn)生一個(gè)電磁場(chǎng),如同天線一樣向外輻射干擾,并且可能通過(guò)寄生電容耦合到設(shè)備內(nèi)部,影響其他電路的正常工作。多個(gè)高壓電容并聯(lián)在變壓器中心抽頭接地的電路中,能夠?yàn)楣材P盘?hào)提供更好的低阻抗回流路徑,增強(qiáng)對(duì)共模信號(hào)的抑制能力,減少共模干擾對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?,保證差模信號(hào)能夠準(zhǔn)確、穩(wěn)定地傳輸。

三、實(shí)現(xiàn)阻抗匹配

在網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸過(guò)程中,為了確保信號(hào)能夠無(wú)損耗地傳輸,需要實(shí)現(xiàn)信號(hào)源、傳輸線和負(fù)載之間的阻抗匹配。如果阻抗不匹配,信號(hào)在傳輸過(guò)程中會(huì)發(fā)生反射,導(dǎo)致信號(hào)失真、衰減,嚴(yán)重影響通信質(zhì)量。

在網(wǎng)口 RJ45 與 PHY 之間的電路中,多個(gè)高壓電容并聯(lián)可以參與阻抗匹配的調(diào)整。不同電容量的電容與電路中的其他元件(如電阻、電感等)共同作用,能夠改變電路的整體阻抗特性,使其更接近信號(hào)傳輸所要求的特征阻抗。例如,在一些以太網(wǎng)接口電路設(shè)計(jì)中,通過(guò)在變壓器中心抽頭接高壓電容接地,并結(jié)合適當(dāng)?shù)亩私与娮瑁瑯?gòu)成了 Bob - Smith 電路。這種電路不僅可以為共模信號(hào)提供回流路徑,還能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)口任意兩隊(duì)差分信號(hào)間 150ohm 的阻抗匹配,改善信號(hào)的傳輸質(zhì)量,減少信號(hào)反射。

綜上所述,在網(wǎng)口 RJ45 與 PHY 之間的隔離設(shè)計(jì)中采用多個(gè)高壓電容并聯(lián),是為了滿足高壓沖擊保護(hù)、信號(hào)完整性改善以及阻抗匹配等多方面的需求。這一設(shè)計(jì)通過(guò)多個(gè)電容的協(xié)同工作,為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供了更可靠、穩(wěn)定的運(yùn)行環(huán)境,保障了網(wǎng)絡(luò)通信的順暢進(jìn)行。在實(shí)際的電路設(shè)計(jì)和應(yīng)用中,工程師們需要根據(jù)具體的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、設(shè)備要求以及成本等因素,精心選擇電容的參數(shù)(如電容量、耐壓值等)和數(shù)量,以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的設(shè)計(jì)效果。

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