千兆网络PHY芯片 RTL8211E的实践应用（自我总结篇）

二、芯片选型
1.千兆以太网PHY芯片选型

以太网芯片市场规模庞大，而且比较稳固，但该市场每隔几年就会出现一次重大技术转变。该产业目前处于从快速以太网(FE)向千兆以太网(GbE)转变过程的末期。其中大多数设计采用的是博通(Broadcom)、英特尔、Marvell和瑞昱(Realtek)的单芯片(MAC+PHY)控制器芯片。
Marvell（美满），美国品牌。常见的10/100/1000M自适应网卡芯片有Marvell的88E8001/88E8053/88E806*系列。属于芯片第一梯队。芯片质量最好，种类最齐全，产品成熟，达到工业级标准，但因目前国际关系，供货不稳定。
Broadcom，美国品牌。包括FE PHY，千兆PHY，2.5G/5GBASE-T PHY，10GBASE-T PHY，汽车PHY等。常见的10/100/1000M自适应网卡芯片有BCM5721/5751系列芯片。芯片质量好，产品成熟，但因目前国际关系，供货不稳定。
Realtek台湾瑞昱，是典型的台产网络PHY芯片厂家。用户可根据自己的需求自由选取10M/100M/1000Mbps三种不同通信速度的芯片。其产品支持单口多口，单口包括RTL8211系和RTL8251系，双口为RTL8212系，四口为RTL8214系,八口则为RTL8208系。性价比也相对较高。市场份额最大，芯片质量虽不如美满，但质量相对稳定。因使用范围广，参考资料较多。相比于其他品牌，供货相对稳定。
ATHEROS（高通），美国品牌，全球最大的无线半导体供应商。近几年研发生产PHY芯片系列，常见的10/100/1000M自适应网卡芯片有AR8031与AR8035系列。
其他品牌包括：IC PLUS,台湾九阳电子推出的IP101系列芯片有10M/100 Mbps两种可选。SMSC，被美国Microchip公司收购, 在通信速度上有也有10M/ 100M/1000Mbps三种不同的选择。目前在网络PHY芯片主打型号为LAN87系列。
国产芯片中，生产PHY芯片的厂商有苏州裕泰车通，但产品只有10/100M,并不支持千兆以太网。
本次设计中，选取Realtek公司的RTL8211E单口芯片，主要考虑因素有：满足千兆以太网需求、产品稳定、技术文档成熟、参考资料相对较多、货源稳定、性价比高。可替代的产品有高通的AR8035、美满的88E1111等。
引脚功能在下一节中有详细介绍。具体引脚和封装设计如下图所示：


2.RJ45接口选型
为减少外部分立器件的数量，有助于布局布线，改善系统的EMC/EMI性能，尽量选择连接器自带隔离变压器以及终端电阻的RJ45接口。在接口期间的厂商中，国产接口即可满足设计需求。本次设计中，RJ45网络接口采用中山市汉仁公司（HanRun）的 HR91130A，连接器自带隔离变压器以及终端电阻。该接口的引脚特性及外围电路设计在下一节中有介绍。可替代器件有安费诺amphenol公司的MRJ548101、泰科电子TE connectivity的2301995-1等。下图为该接口的封装设计。

三、PHY芯片的外围电路设计
RTL8211E应用主要包括电源部分设计、MDI接口设计、RGMII接口设计以及接口管理设计等四部分组成。
1.RTL8211E电源部分设计
RTL8211E的电源主要由3.3V及1.05V两个电源组成，接入外部电源为3.3V，并通过自身的switching regulator形成1.05V电源或者从外部电源引入。这两组电源主要为芯片运行以及GMII、MDI等IO接口驱动提供电源。如下则为RTL8211E、RTL8211EG的电源引脚说明。

RTL8211E的3.3V电源由外部电源VDD33引入，并通过去耦电容C3的过滤，形成芯片的数字3.3V电源DVDD33及模拟3.3V电源AVDD33。如图，其中C3对电源质量影响比较大。

对于接口管理应用1.05V的IO驱动电源，则是通过芯片自身的switching regulator转换或通过一个外接LDO进行转换，如果采用自身的regulator转换，则是3.3V模拟电源通过去耦电容接入芯片，另外通过外接0电阻与去耦电容形成模拟或数字1.05V电源。switching regulator只能给芯片自身的AVDD10和DVDD10供电，不能给其它外部电路供电。


2.RTL2811E至MDI接口设计
MDI（ Medium Dependent Interface ）介质相关接口与互联网连接一般通过信号传输端（TD+&TD-）和信号接收端（RD+ &RD-），然后再通过网络滤波器以及RJ-45与终端网络相连。
MDI连接属于高速信号连接，对MDI线路设计时时需特别注意，RTL8211E/RTL8211EG到10/100/1000M网络变压器，以及到RJ-45接口的路径需要尽可能短，RTL8211E/RTL8211EG到10/100/1000M网络变压器的距离不能超过12cm，而且两对接受或传输差分信号线需尽可能的接近，可使噪声影响互相抵消。一般两者之前距离等于一线宽，例如，信号线宽8mil，则D1的宽度为8mil。两组信号线之间的跟离D2一般推荐为30mil。

3. RTL8211E之RGMII接口设计
MII是英文Medium Independent Interface的缩写，翻译成中文是“介质独立接口”，该接口一般应用于MAC层和PHY层之间的以太网数据传输，也可叫数据接口，MII即Reduced MII、是MII的简化。与MII接口相比，GMII的数据宽度由4位变为8位，GMII接口中的控制信号如TX_ER、TX_EN、RX_ER、RX_DV、CRS和COL的作用同MII接口中的一样，发送参考时钟GTX_CLK和接收参考时钟RX_CLK的频率均为125MHz(1000Mbps/8=125MHz)。
RGMII连接属于高速信号连接，对RGMII线路设计时时需特别注意，RTL8211E/RTL8211EG到MAC之间的不能超过2.5inch。RGMII时钟信号与数据信号之间需要留20mils的间距，GMII 接收与发送布线长度之差还要超过100mils。RGMII的布线都有一块没破坏的完整地平面。
根据RGMII协议，TXC与RXC分别为数据传输中发送与接收的频率，在千兆以太网中，分别为125MHz。接收数据的端口为RX[0…3]，控制使能为TX_CTL；发送数据的端口为TX[0…3]，控制使能为RX_CTL。

1. 以太网接口速率较高，会产生较大的干扰，会在铜皮产生感应电流，在RJ45接口处需将除差分引脚外的信号全部挖空，挖空区避免走线。
2. 机壳地走线加粗，一般为1mm，机壳地与板内板的边缘间距要大于或等于1mm。
   3.电源地走线加粗。
   
3. 等长要求，TX+与TX-信号做等长，RX+与RX-做等长，尽量保持差分对平行、等长、短距，避免过孔、交叉。由于管脚分布、过孔、以及走线空间等因素存在使得差分线长易不匹配，时序会发生偏移，还会引入共模干扰，降低信号质量。长度差通常控制在5mil以内。
4. TX与RX应分开不同层走线，如果同层，间距应拉开4W（4倍线宽）。
   6.PHY芯片发热量较大，可适当考虑增加散热孔或背面开窗。
   根据芯片手册，布线时还应注意以下事项：
   1.输入3.3V电压与芯片VDDREG引脚连接时，线宽需超过40mils。
   2.去耦电容需放置在距离VDDREG引脚200mils(0.5cm)范围内，以防止输入电压过冲。
   3.输出电压REGOUT的线宽必须大于60mils。
   3.输出电压REGOUT的电感必须放置在引脚200mils(0.5cm)范围内；电容需放置在距离电感200mils(0.5cm)范围内。
   
   
   
   
   
   
5. 为了保证开关稳压器的稳定性，Cout1与Cout2必须为陶瓷电容器(X5R)，Cin1和Cin2需为陶瓷电容器。
   5.电感和Cin1需要和芯片在同一层布线；VDDREG和REGOUT之间的连线不能使用过孔。
   
   因为老板正好要我写个汇报材料出来，所以我也就有时间总结出了这一份儿出来。前一篇是从网上扒的，汇总在一起，感觉收获比较大。这一片是我自己一个字一个字的码的，也有从别的文章摘抄的，原理图是我自己用cadence画的，PCB板还没有画，等画出来我再写一篇出来。因为是纯手敲的，如有转载，记得艾特我啊。
   里面有不对的地方还希望大神们提早指正出来，以免我踩雷啊，感谢！