Störungen über Ethernet-Buchse

[jenskauf]

Unser aktuelles Design beinhaltet eine 100 MBit-Ethernet-Schnittstelle, die mit einer SMSC LAN8720 realisiert wurde.
Als Ethernet-Ãœbertrager kommt eine RJ445-Buchse mit integrierten "magnetics" zum Einsatz (Tyco 5-6605758-1).
Bei der Emissionsmessung haben wir eine Störung bei 250 MHz (5. Oberwelle der PHY-Taktfrequenz), die über dem Grenzwert für Heimanwendungen liegt.
Die Störung scheint sich über die LAN-Buchse aufs LAN-Kabel zu übertragen. Ein testweise ums LAN-Kabel angebrachter Klappferrit verringerte die Emission merklich.

Nun meine Frage: Ist es im Hinblick auf das EMV-Verhalten günstiger, statt der integrierten Variante besser eine einfache LAN-Buchse mit separatem Übertrager einzusetzen?
Eigentlich wurde uns die integrierte Variante empfohlen, um ein besseres EMV-Verhalten zu erzielen.

Gibt es noch andere Maßnahmen, die uns hier helfen könnten?

Viele Grüße,
Jens Kaufmann

[Luc]

Hallo!

Ohne Layout & Schaltung zu sehen, ist es sehr schwer hier etwas Qualifiziertes zu sagen. Ich denke, dass Sie grundsätzlich mit der Variante "integrierte magnetics" schon auf der richtigen Spur sind.
Um gezielte Maßnahmen ergreifen zu können, muss als erstes klar sein, wie der Störvorgang abläuft: Wo ist die Quelle? Ist es das Clock-Signal? Oder evtl. eine Rückwirkung in das Powersystem der Leiterplatte? Wie kommt die Störung auf das LAN-Kabel? Wie ist der Schirm des LAN-Kabels PCB-seitig kontaktiert? Wie sieht das Layout in diesem Bereich aus? Wie idt der PHY an die GND-Plane kontaktiert? usw. Ohne sich also detailliert mit der Baugruppe zu befassen, ist eine seriöse Aussage kaum möglich.
Falls Sie aber ein wenig "stochern" wollen (und in der Baugruppe unter Messbedingungen basteln können), probieren Sie doch mal folgendes:
- Hat die Anbindung des Kabelschirmes einen Einfluss (auf die 250MHz-Linie?)
- Wenn Sie am PHY Ferrite (z:b. 742792601) in die TX- bzw. RX-Leitungen einfügen, hilft das? (Evtl. testweise auch an den Pins der Buchse)
- Falls es andere Kabel gibt: Hilft der Klappferrit auch hier?
Allerdings nochmal: Das ist Bastelwerk! Manchmal kriegt man's auf diese Weise einigermaßen in den Griff, eine saubere Lösung ist aufwändiger!
Gutes Gelingen & Grüße, Dirks

[Dominik333]

Hallo EMV Experten, Hallo Luc und Jens

ich bin auf Ihren Beitrag gestossen. Ich habe exakt dasselbe Problem:
- Im EMV Labor eine 250MHz Oberwelle, welche zu hoch ist (Ursache: 50MHz Clock / Communication zwischen MAC und PHY)

Kenndaten:
- Ethernet Schaltung mit RJ45 mit integrierten Transformatoren
- LAN8720 PHY

Massnahmen:
- Ferrite (120R@100MHz) an OSC output (50 MHz)
- zusätzliche Ferrite und C für Speisungen

Fragen:
- Wie konnten Sie das Problem lösen?
- Ich habe die GND Plane durchgezogen auf Layer 3. Auf den Top Layer, wo der RJ45 connector ist, ist Chassis GND (Shield) verbunden. Auf beiden Seiten des Shields ist ein 1nF/2kV C platziert um GND mit Shield zu koppeln. Ist das richtig so?
- Pin 8 des RJ45 Connectors habe ich mit GND verbunden (nicht mit Chassis GND), da es intern mit 1nF / 2kV isoliert ist. Ich habe diesen Pin 8 versuchshalber mal auf Chassis GND verbunden mit schlechterem Resultat.

Ich habe ein 4 Layer PCB mit folgendem Stackup:
1) Signal (RJ45 connector)
2) Power Planes
3) GND Plane
4) Signal (Component Side: MAC, PHY, alle SMD Parts)

Die Layout Guidelines habe ich allesamt versucht einzuhalten. Differential impedance constraint ist eingehalten. Ich verwende einen externen Oszillator, welcher zwischen MAC und PHY platziert ist.

Vielen Dank für Ihre Hilfe!

Beste Grüsse
Dominik

[Luc]

Hallo!

Könnte ich die Messung sehen?!

Gruss

[jenskauf]

Hallo Dominik,

die von uns und Ihnen beobachtete Störung bei 250 MHz hat ihre Ursache - wie Sie ganz richtig erkannt haben - in der Kommunikation zwischen MAC und PHY. Alle Versuche, durch Layout und Schaltung der Ethernetbuchse eine Verbesserung zu bewirken waren bei uns gescheitert. Wir hatten dazu Versuche mit verschiedenen Ethernetbuchsen mit und ohne Magnetics unternommen und auch verschiedene Layouts ausprobiert. All das hat an der Störung bei 250 MHz nur wenig geändert.

Lösen konnten wir das Problem dann letztlich, indem wir alle Signalleitungen des RMII-Interface das MAC und PHY verbindet, auf die untere Innenlage verlegt haben. Dadurch sind all diese Leitungen durch die VCC-Plane und eine lokale GND-Plane auf Layer 4 abgeschirmt und können ihre Störungen nicht mehr abstrahlen.
Unser Layeraufbau ist wie Ihrer, allerdings haben wir im Bereich zwischen MAC und PHY Layer 4 mit einer großen zusätzlichen rechteckigen GND-Plane versehen und die abzuschirmenden Signalleitungen auf Layer 3 gelegt. Dort sind sie seitlich von der GND-PLane umgeben, wodurch auch seitlich eine gute Abschirmung gegeben ist.

Die 250 MHz-Störspitze konnten wir von 40 dBµV/m auf unter 30 dBµV/m senken und liegen nun unter dem Limit.

Falls Sie noch weitere Fragen haben können Sie mich auch unter jens.kaufmann@turck.com kontaktieren.

Viele Grüße,
Jens Kaufmann