HF und EMV in den Griff bekommen
Gigabit-Ethernet implementieren
Ob im Büro oder in der Fabrik, Gigabit-Ethernet ist der Vernetzungsstandard der Wahl. Mit den Referenzdesigns von Würth Elektronik lassen sich HF- und EMV-Herausforderungen flott lösen.
Ethernet hat sich in den vergangenen Jahrzehnten als der globale Vernetzungsstandard schlechthin durchgesetzt, vom Heim über Büros und Produktionshallen bis hin zum Auto. Aktuell ist Gigabit-Ethernet Stand der Technik, sodass Entwickler von vernetzungsfähigen elektronischen Geräten um die Implementierung einer Gigabit-Ethernet-Schnittstelle nicht herumkommen. Schaltungsentwickler erhalten nun mit den beiden Versionen eines 1-Gigabit-Ethernet-Referenzdesigns von Würth Elektronik ein optimiertes Schaltungsdesign und -layout mit allen technischen Daten. Dies erleichtert die Implementierung einer zuverlässigen 1-Gigabit-Ethernet-Schnittstelle in ihrer Zielanwendung.
Das Referenzdesign RD016 umfasst zwei Schnittstellen [1], eine 1-Gigabit-RJ45/Ethernet-Schnittstelle und eine USB Type C (USB 3.1). Der GB-Ethernet-USB-Adapter ist auf Basis des Evaluation-Boards EVB-LAN7800LC von Microchip entwickelt worden. Die Schaltung ist auf einer vierlagigen Leiterplatte aufgebaut und wird im vorliegenden Design über die USB-Schnittstelle mit Spannung versorgt. Im ersten Teil dieses Artikels werden technische Grundlagen dargestellt, die für das Verständnis der Referenzdesigns notwendig sind. Der zweite Teil beschreibt detailliert die 1-GB-Ethernet-Schnittstelle bis zum PHY (Physical Layer). EMV-technische Aspekte werden in der Application Note ANP116 [2] ausführlich behandelt.
1 Gbit/s reicht für die meisten Anwendungen
Ethernet wurde zunächst mit 10 Mbit/s über Koaxialkabel und später über ungeschirmte verdrillte Zweidrahtleitungen mit 10BASE-T weltweit verbreitet. Gegenwärtig sind 100BASE-TX (Fast Ethernet, 100 Mbit/s), Gigabit-Ethernet (1 Gbit/s), 10-Gigabit-Ethernet (10 Gbit/s) und 100-Gigabit-Ethernet (100 Gbit/s) verfügbar. Für die meisten Zwecke funktioniert Gigabit-Ethernet gut mit einem regulären Ethernet-Kabel, speziell mit den Verkabelungsstandards CAT5e, CAT6 und CAT6a. Diese Kabeltypen folgen dem 1000BASE-T-Verkabelungsstandard, auch IEEE 802.3ab genannt.
Aufgrund verschiedener Faktoren, wie dem Overhead des Netzwerkprotokolls, erneuten Übertragungen aufgrund von Kollisionen auf der Übertragungsstrecke, oder sporadischen Datenfehlern, beträgt die nutzbare Datenrate unter normalen Bedingungen maximal 900 Mbit/s. Die durchschnittliche Verbindungsgeschwindigkeit variiert aufgrund vieler Faktoren, wie z. B. der Hardwarestruktur des PC, der Anzahl der Clients am Router und nicht zuletzt der »Qualität« der Ethernet-Verkabelung vor Ort.
Die 1-GB-Ethernet-Schnittstelle arbeitet nach dem Standard 802.3ab-1999 (CL40) und benötigt vier Adernpaare bzw. Kanäle zur Signalübertragung. Somit ergibt sich eine Symbolrate von 125 Megabaud (MBd) mit einer Bandbreite von 62,5 MHz pro Kanal (2 bit pro Symbol). Das GB-Ethernet-Protokoll zeichnet sich durch einige Besonderheiten aus. Der 1000BASE-T (Gigabit-Ethernet) PHY führt ein Verbindungs-Konfigurationsprotokoll aus, das als Auto-Negotiation bezeichnet wird. 8-bit-Datenbytes werden in 10-bit-Codegruppen konvertiert. Der 8b/10b-Code ist robust und zeichnet sich durch nützliche Eigenschaften wie Übergangsdichte, Lauflängenbegrenzung, Gleichstromausgleich und Fehlerrobustheit aus. Alle Einzel-, Doppel- und Dreifach-bit-Fehler in einem Frame werden mit hundertprozentiger Zuverlässigkeit erkannt. Die Signalspannung bei 1000BASE-T beträgt durchschnittlich 750 mV differenziell, die Grenzen sind > 670 mV, < 820 mV bei einer Last von 100 Ω.
Schnittstellenstruktur und erforderliche Hardware
RJ45-Schnittstellen sind für Vollduplex-Übertragungen ausgelegt, d. h. eine gleichzeitige Übertragung von Sende- und Empfangsdaten. Dies ist möglich, weil der Steckverbinder vier Adernpaare umfasst, wobei immer ein Paar für eine Richtung benötigt wird (Differenzspannungsprinzip). Grundsätzlich weist UTP (Unshielded Twisted Pair) eine Impedanz von 100 Ω auf und STP (Shielded Twisted Pair) 150 Ω (1000BASE-T: IEEE 802.3, z. B. Abschnitt 39). Im Fall von Markenkabeln gilt: 5e, 6 und 6a sind sowohl geschirmt als auch ungeschirmt erhältlich, und die Kategorien 7 und 7a sind immer geschirmt. Für jeden RJ45-Anschluss wird vom IEEE-Standard eine galvanische Trennung per Übertrager gefordert. Dieser Übertrager schützt die Geräte vor Beschädigung durch Hochspannung auf der Leitung und verhindert Spannungsoffsets, die durch Potenzialunterschiede zwischen den Geräten auftreten können. Bild 1 zeigt die Prinzipschaltung der Schnittstelle.
Ankommend von der RJ45-Schnittstelle gelangt das Ethernet-Signal über die Gleichtaktdrossel zu den Übertragern. In Bild 1 ist nur einer von vier Kanälen dargestellt. Der Übertrager besitzt eine Mittelanzapfung, die, signaltechnisch betrachtet, ein Nullpotenzial darstellt. Unsymmetrien wirken sich als Spannung an der Mittelanzapfung aus und werden über die 75-Ω-Widerstände, die gleichspannungsmäßig über den Kondensator entkoppelt sind, gegen Masse abgeschlossen. Der Übertrager weist ein Übersetzungsverhältnis von 1:1 auf. Sekundärseitig gelangt das Ethernet-Signal über die vier Kanäle zum PHY. Auch hier beträgt die Impedanz 100 Ω differenziell, bzw. jeweils 50 Ω gegen Masse (GND). Die Mittelanzapfung des Übertragers ist auf der sekundären Seite über Kondensatoren wechselspannungsmäßig gegen Masse abgeschlossen.
1-GB-Ethernet-Adapter-Board
Das GB-Ethernet-USB-Adapter-Board ist in zwei verschiedenen Varianten verfügbar.
Variante V1.0 umfasst im Bereich der Ethernet-Schnittstelle diskrete Komponenten. Das heißt, das Anpassungsnetzwerk und der Induktivitäten-Block, bestehend aus Gleichtaktdrosseln und Übertragern, sind einzelne Komponenten, die auf der Leiterplatte platziert sind (Bild 2).
In der Variante V2.0 sind die genannten Komponenten mit in das Gehäuse der RJ45-Buchse integriert (Bild 3).
Blockschaltung
Der USB-3.1-Gigabit-Ethernet-Controller LAN7800 verbindet die USB-Schnittstelle mit der Ethernet-Schnittstelle als »Brücke« (Bild 4).
Somit sind für die Beschaltung der Schnittstellen lediglich die signaltechnischen Anpassungen und Entkopplungen zu realisieren. USB-seitig wird mit einem DC/DC-Wandler die für den LAN7800 notwendige 3,3-V-Versorgungsspannung erzeugt. Der LAN7800 benötigt zur Speicherung der Firmware ein zusätzliches 4-kbit-EEPROM.
Schaltungselemente
Die folgenden Schaltungselemente – Controller, Stromversorgung und USB-3.1-Schnittstelle – werden hier nur gestreift, da der Schwerpunkt dieses Artikels auf der 1-GB-Ethernet-Schnittstelle liegt.
Controller
Der LAN7800 ist ein hochleistungsfähiger USB-3.1-nach-1-GB-Ethernet-Controller mit integriertem Ethernet-PHY. Für die Onboard-Software wurde ein externes 4-kbit-EEPROM spendiert.
Stromversorgung +5 V auf +3,3 V
Der Controller benötigt eine Versorgungsspannung von 3,3 V. Diese wird mit dem Linearregler TLV757P erzeugt. Der LDO (Low-Dropout-Regler) reduziert die Spannung von 5,0 V auf 3,3 V. Die 10-µF-Eingangs- und Ausgangselkos sorgen für einen stabilen Betrieb, der 100-nF-X7R–Kondensator reduziert ausgangsseitig hochfrequente Störungen.
USB-3.1-Schnittstelle
Die Datenleitungen der USB-Schnittstelle sind mit Gleichtaktdrosseln gegen Funkstörungen und mit TVS-Diodenarrays gegen transiente Überspannungen beschaltet.
1-GB-Ethernet-Front-End
Der LAN-Übertrager X3 in Bild 5 sorgt für eine DC-Trennung zwischen der Elektronik und dem Netzwerkkabel. Die Prüfspannung für den Übertrager zwischen Primär- und Sekundärseite beträgt 1.500 VRMS (min.).
Ethernet-Schnittstelle
Der Ethernet-Transformer (LAN-Übertrager) ist die Schnittstelle zwischen Gerät und dem Ethernet-Kabel. Der Übertrager sorgt für die sicherheitsrelevante galvanische Trennung zwischen Gerät und Kabel und gleichzeitig für die Impedanzanpassung, einerseits zur internen Logik, andererseits an die symmetrischen Adernpaare des Ethernet-Kabels. Weiterhin schützt der Übertrager das Gerät vor transienten Störungen, unterdrückt Gleichtaktsignale zwischen dem Transceiver-IC und dem Kabel sowohl vom Gerät nach außen als auch vom äußeren Kabel zur Elektronik im Gerät. Allerdings muss der LAN-Übertrager auch die Daten bis zu 1 Gbit/s breitbandig übertragen, ohne das Sende- und das Empfangssignal wesentlich zu dämpfen. Um die Anpassung und die EMV-Anforderungen zu erfüllen, sind zusätzliche Komponenten notwendig. Es gibt zwei Ansätze, um die Schnittstelle aufzubauen:
➔ Der Einsatz eines fertigen Moduls, in dem die Ethernet-Buchse, der Übertrager und die Bob-Smith-Terminierung integriert sind, oben als Variante V2.0 bezeichnet.
➔ Ein Aufbau mit diskreter Technik, hier Variante V1.0. In diesem Fall müssen alle Komponenten aneinander angepasst werden. Allerdings bietet die Lösung mehr Freiheitsgrade. Die Auswahl der Bauelemente, die Anordnung und das Layout werden dem Entwickler überlassen. Es ist zwar etwas mehr Designaufwand erforderlich, aber die diskrete Version ist günstiger und es können für spezielle Anforderungen Isolationsspannungen bis 6 kV erreicht werden.
Da funktionstechnisch zwischen den beiden Varianten kein Unterschied besteht, wird die Schaltungstechnik der GB-Ethernet-Schnittstelle im Folgenden an der Variante V1.0 mit diskreten Komponenten erläutert.
Der mittlere Abgriff der primärseitigen Wicklung, also zum Ethernet-Port, hat den erwähnten »Bob Smith«-Abschluss. Pro Adernpaar wird dafür jeweils ein 75-Ω-Widerstand zu einem »Sternpunkt« zusammengeschaltet. Das Ganze wird dann, galvanisch getrennt, mittels zwei parallel geschalteten 100-pF-Kondensatoren an die Gehäusemasse angeschlossen. In der Literatur findet man häufig Kondensatoren mit einer Kapazität bis zu 2 nF, was bezogen auf den Frequenzbereich einen relativ hohen Wert darstellt. Die Kondensatoren sollten mindestens eine Spannungsfestigkeit von 2 kV haben.
Der Bob-Smith-Abschluss wird verwendet, um Störungen zu reduzieren, die durch Gleichtaktstromflüsse verursacht werden, und um die Anfälligkeit für Störungen durch unbenutzte Adernpaare am RJ45-Anschluss zu reduzieren. Bob Smith bezog sich auf eine Impedanz von etwa 145 Ω pro Adernpaar. Aufgrund der Marktverfügbarkeit vieler verschiedener Kabeltypen, unterschieden in den Basisimpedanzen der verschiedenen Kabeltypen und der Tatsache, dass die Kabel wegen der Verdrillung keine konstante Impedanz über die Länge aufweisen, wurden zusätzlich Gleichtaktdrosseln implementiert (Bild 5). So sind im Modul X3 jeweils ein Übertrager und eine Gleichtaktdrossel pro Kanal zusammengeschaltet. Diese Drosseln können zwar nicht die Abweichungen der Impedanzanpassung korrigieren, verbessern aber das EMV-Verhalten deutlich. Die Beschaltung der Elemente mit passiven Bauelementen und TVS-Dioden sowie das Platinen-Layout sind in [1] detailliert beschrieben.
Literatur
[1] Referenzdesign RD016 – Gigabit-Ethernet Front-End: https://www. we-online.com/RD016
[2] Application Note ANP116 –Gigabit-Ethernet-Schnittstelle unter EMV- Gesichtspunkten: https://www.we- online.com/ANP116
Der Autor
Dr.-Ing. Heinz Zenkner
hat Elektrotechnik mit Schwerpunkt Nachrichten- und Hochfrequenztechnik studiert und promoviert. Er ist seit vielen Jahren öffentlich bestellter und vereidigter Sachverständiger für EMV. Neben zahlreichen wissenschaftlichen Veröffentlichungen betätigt er sich häufig als Autor in vielen Werken zur EMV. Zusätzlich hat Zenkner an verschiedenen Universitäten, an der IHK und in zahlreichen Seminaren als Dozent gearbeitet. Seit vielen Jahren beschäftigt er sich mit industrieller Elektronik, von der ersten Idee eines Produktes bis hin zur Serienproduktion. Sein besonderes Interesse gilt der drahtlosen Energieüberragung, zu der er theoretisch als auch praktisch eigene Konzepte entwickelt hat.
