COM载板设计之五：LAN和USB接口

2.6 LAN

COM Express模块提供至少一个LAN端口。兼容IEEE802.3-2005规范的8线10/100/1000BaseT千兆网络接口被用作这个端口。COM Express模块的PHY负责实现10/100BaseTX与10/100/1000BaseT操作的自动协商。载板也可以支持来自Com Express模块的4线10/100BaseTX接口。见模块的手册。

2.6.1 信号定义

COM Express模块的LAN接口由4对LVDS信号组成：GBE0_MDI0(+,-)-GBE0-MDI3(+,-)，另外还有链路连接指示控制信号。这些信号能连接到10/100/1000BaseT RJ45插座上，这个RJ45可以集成一个变压器，也可以在载板上外置一个变压器。信号如表11

信号

脚

描述

I/O

注释

GBE0_MDI0+

GBE0_MDI0-

A13

A12

MDI差分对0，MDI可以操作在1000/100/10Mbit/sec模式

I/O GBE

用于所有模式

GBE0_MDI1+

GBE0_MDI1-

A10

A9

MDI差分对1，MDI可以操作在1000/100/10Mbit/sec模式

I/O GBE

用于所有模式

GBE0_MDI2+

GBE0_MDI2-

A7

A6

MDI差分对2，MDI可以操作在1000/100/10Mbit/sec模式

I/O GBE

仅用于1000M用于所有模式

GBE0_MDI3+

GBE0_MDI3-

A3

A2

MDI差分对3，MDI可以操作在1000/100/10Mbit/sec模式

I/O GBE

仅用于1000M用于所有模式

GBE0_CTREF

A14

载板以太网通道0变压器中心抽头参考电压

REF

 

GBE0_LINK#

A8

以太网控制器0连接指示，低有效

O 3.3V

Suspend

OD CMOS

 

GBE0_LINK100#

A4

以太网控制器0 100Mbit/Sec连接指示，低有效

O 3.3V

Suspend

OD CMOS

 

GBE0_LINK1000#

A5

以太网控制器0 1000Mbit/Sec连接指示，低有效

O 3.3V

Suspend

OD CMOS

 

GBE0_ACT#

B2

以太网控制器0有效指示，低有效

O 3.3V

Suspend

OD CMOS

 

2.6.1.1 状态LED信号定义

有4个状态指示信号，它们的组合用来驱动2个状态指示灯（连接有效和连接速度）。如表12：

LED功能

LED颜色

LED状态

描述

连接速度

绿/橘黄

灭

10Mbps连接速度

绿

100Mbps连接速度

橘黄

1000Mbps连接速度

连接状态和有效

黄

灭

无连接

稳定地亮着

连接已建立，没有检测到有效

闪烁

连接已建立，检测到有效

2.6.1.2 LAN1和2共享IDE

类型2 COM Express模块仅支持1个LAN到载板上。类型3和5 COM模块提供2个附加的10/100/1000BaseT千兆以太网口代替IDE端口。类型5模块定义了包括一个可选的10G以太网口操作。

2.6.1.3 PHY/变压器连接

PHY位于COM Express模块上，耦合变压器位于载板上。二者的连接必须满足下面的规范：

l  载板应该为COM Express模块提供全部8线（10/100/1000BaseT）接口。

l  终端电阻应该放置在COM Express模块上，尽可能靠近PHY。

l  来自COM Express模块的中心抽头参考信号连接到变压器付边，不串联任何电阻和阻抗电路。

l  载板设计应该使用一个耦合变压器与尽可能多的PHY器件交互。

l  载板设计应该有一个原边和付边中心抽头终端元件（典型是75欧姆电阻和100nF电容），终端元件应该尽可能距离耦合变压器近。

l  耦合变压器应该远离COM Express模块，不少于100mm（3.9英寸）

l  推荐使用带变压器的RJ45插座。如果使用单独的变压器，变压器应该与RJ45插座的距离不要超过25mm

2.6.2 参考设计

2.6.2.1 集成在RJ45插座上的变压器

2.6.2.2 分立的耦合变压器

2.6.3 布线考虑

见PCB布线指南

2.6.3.1 参考地和耦合

载板应该为变压器原边的元件维护一个良好的模拟地。模拟地应该通过RJ45连接器的外壳连接到外部电缆的屏蔽层上。

模拟地通过一个容性耦合电路与载板的逻辑地相连接，满足802.3-2005规定的绝缘要求。推荐在载板上的数字地与模拟地之间保留30mil的间隙。

推荐在RJ45附近放一个可选的地GND与屏蔽地SHIELDGND连接，以改善EMI和ESD性能。

2.7 USB接口

COM Express模块必须支持至少4个USB端口，最多8个USB端口。所以端口均兼任USB2.0。有4个过载信号由8个USB端口共享。载板必须能够限制USB电源的电流，以避免系统因USB端口过电流而崩溃。模块必须从PORT0开始。虽然USB信号使用差分信号，但是USB规范也在差分对里编码单端信息，这样使得EMI滤波增加了一些挑战。到载板的内部端口不需要EMI滤波。USB端口的供电可以使载板的主电源或载板的SUSPEND电源。主电源供电的USB设备仅在系统供电时才可存取。Suspend电源（VCC_5V_SBY）为那些需要在S5状态需要供电的设备使用，典型地支持USB唤醒。因为VCC_5V_SBY的功率是有限的，所以应该谨慎使用VCC_5V_SBY。

2.7.1 信号定义

表13 USB信号描述

信号

脚

描述

I/O

注释

USB0+

USB0-

A46

A45

USB数据差分对

I/O USB

强制

USB1+

USB1-

B46

B45

USB2+

USB2-

A43

A43

USB3+

USB3-

B43

B42

USB4+

USB4-

A40

A39

可选

USB5+

USB5-

B40

B39

USB6+

USB6-

A37

A36

USB7+

USB7-

B37

B36

USB_0_1_OC#

B44

USB0、1过流信号

I 3.3V CMOS

可选

USB_2_3_OC#

A44

USB2、3过流信号

USB_4_5_OC#

B38

USB4、5过流信号

USB_6_7_OC#

A38

USB6、7过流信号

2.7.1.1 USB过载电流保护（USB_x_y_OC#）

因为USB设备的供电直接来自于载板，所以出于安全的考虑，一定要加过载保护。过载必须是无人工干预可复位的。

电源开关电路通常是软启动的，这样避免瞬间过载误动作。

2.7.1.2 在S5期间给USB器件供电

电源分配开关和ESD保护见参考设计图。端口可以由Suspend电源供电（在S3和S5期间）。这提供了COM Express模块由USB接口事件唤醒功能。

2.7.1.3 USB连接器

图20 USB连接器：     

 

表14 USB连接器信号描述：

信号

脚

描述

I/O

注释

VCC

1

+5V电源

P5V

对外部设备必须限制电流

-DATA

2

USB数据差分对-

I/O USB

 

+DATA

3

USB数据差分对+

I/O USB

 

GND

4

地

P

 

 

2.7.2 参考设计

如图21。在参考图中提供了两个过流检测的方法。一个是使用MIC2026，另一个方法是使用08与门作为过流检测的比较器。另外电源的供给也给出了两个方法：一个方法是VCC_5V_SBY，另一个方法是5V。

USB的电源使用了一个磁珠（90欧@100MHz，3000mA）以减少干扰。磁珠应该靠近USB连接器来放置。

USB_0_1_OC#和USB_2_3_OC#是过载信号，输入到COM Express模块中，每个信号在过载是为低，过载时应该导致USB端的电源关闭。不要上拉这个过载信号，因为载板上已经上拉了。过载信号一直保持，直到过载条件消失。

USB的数据线上使用了一个共模扼流线圈，以提高EMI能力。共模扼流线圈应该靠近USB连接器来布置。

ESD保护二极管应该尽可能放置在USB插座脚的附近。

USB连接器的外壳应该通过一个磁珠连接到地。这个磁珠也应该放置在插座附近。

图21 USB参考设计

2.7.3 布线考虑

USB差分对差分阻抗90欧姆，单端阻抗45欧姆，理想情况下，尽可能差分线走在一个层上并临近地平面，不应该跨域分裂的层平面，见PCB设计规则。

2.7.3.1 EMI/ESD保护

为了改善USB接口的EMI性能，在USB连接器信号脚的最近处加共模扼流线圈，共模扼流线圈能抑制噪声，但是会影响高速信号的质量，因此共模扼流线圈应该仔细选择，以适合EMI噪声抑制的要求。

为了保护USB的HOST接口免遭ESD（静电）和EFT（瞬变电压）的损害，应该在载板上添加低电容的二极管和瞬变抑制二极管。