硬件工程师手册

主题

深入#USB#以太网#PHY#差分#网络变压器#RJ45

USB 与以太网物理层概览 USB & Ethernet PHY ​

1. 设计动机 ​

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USB 和以太网是两类"自带 PHY"的高速差分接口，和 UART/I²C 不是一个量级。它们不只是几根线，而是一整套差分对、端接、识别、隔离的物理约定。

硬件上最常踩的坑：USB 没有做设备识别上拉、D+/D− 没等长走线导致信号完整性差；以太网 PHY 与 RJ45 之间漏了网络变压器、Bob-Smith 端接。本章只做硬件概览——告诉画板时该留什么、接什么，协议细节留给专门的栈。

2. 原理图 ​

USB 用一对差分线 D+/D−；以太网经 MAC→PHY→网络变压器→RJ45。两者都是差分信号，靠差分对的电压差传数据。

USB D+/D− 差分与上拉识别；以太网 PHY 经网络变压器上 RJ45
USB D+/D− 差分与上拉识别；以太网 PHY 经网络变压器上 RJ45

3. 静态分析（DC） ​

  • USB 设备识别：USB 主机在 D+/D− 上各有 15kΩ 下拉；设备在 D+ 上拉 1.5kΩ（全速）或 D− 上拉 1.5kΩ（低速），主机据此判断接入与速度。
  • USB 电平：D+/D− 差分，单端约 0~3.3V，靠差分判决。
  • 以太网：PHY 输出经变压器耦合，直流上与线缆隔离；RJ45 侧的中心抽头常接 Bob-Smith 端接。

4. 动态分析（AC / 瞬态） ​

高速差分对最怕信号完整性：走线不等长、参考平面不完整、端接不匹配都会引起反射、眼图闭合。

5. 环路分析 ​

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差分信号 D+/D− 反相传输，外界共模干扰同时耦合到两线，相减后抵消；这是 USB/以太网/CAN 都用差分的根本原因。硬件要求两线等长、紧耦合、参考平面完整，才能让差分对真正"差"起来。

6. 元件取值与工程权衡 ​

  • USB 识别上拉：设备侧 D+（全速）1.5kΩ 上拉到 3.3V。
  • 走线：D+/D−、以太网两对差分线等长、阻抗控制（USB 90Ω、以太网 100Ω）。
  • 网络变压器：PHY 与 RJ45 之间必须加，隔离+共模抑制。
  • Bob-Smith：75Ω×4 + 1000pF 到机壳地，泄放共模。
  • ESD：USB/网口对外，加 ESD 保护器件。

7. 完整设计示例 ​

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  1. 需求：MCU USB Device 全速 12Mbps。
  2. PHY：用 MCU 内置 FS USB PHY。
  3. 识别：D+ 经 1.5kΩ 上拉到 3.3V。
  4. 走线：D+/D− 等长、90Ω 差分阻抗、完整地平面。
  5. 保护：USB 座加 ESD 二极管。
  6. 验算：插上 PC，主机识别到新设备，枚举成功。

8. 仿真与实验 ​

  • USB 插上 PC，主机设备管理器出现新设备 = 识别上拉住对了；无反应查 D+ 上拉。
  • 以太网插上网线，PHY 的 LINK 指示灯亮 = 变压器/接线基本通。
  • 用 USB 分析仪看枚举过程是否完整。

扩展与变种电路 ​

扩展1：USB 设备识别上拉 Device Attach ​

定位：主机怎么知道你插了设备、是全速还是低速。

设备在 D+ 上拉 1.5k（全速），主机侧 D+/D− 各 15k 下拉检测
设备在 D+ 上拉 1.5k（全速），主机侧 D+/D− 各 15k 下拉检测
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  • 主机空闲时 D+/D− 都被 15k 下拉到低。
  • 设备接入后在 D+ 上拉 1.5k，把 D+ 拉高，主机检测到上升沿并判断为全速设备。
  • 低速设备把 1.5k 上拉放在 D− 上。

取值对比：

上拉位置设备速度
D+ 1.5k全速 12Mbps
D− 1.5k低速 1.5Mbps
无上拉主机不识别
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  • 现象：插上 USB 主机毫无反应。
  • 原因：没有上拉，主机检测不到设备接入。
  • 解决：D+ 加 1.5k 上拉（全速设备）。

扩展2：以太网变压器与端接 Magnetics & Termination ​

定位：PHY 不能直接网线，要隔离与端接。

PHY 经网络变压器到 RJ45，Bob-Smith 端接泄放共模
PHY 经网络变压器到 RJ45，Bob-Smith 端接泄放共模
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  • 变压器把 PHY 与线缆直流隔离，抑制共模、提高耐压。
  • Bob-Smith：4 根线各经 75Ω 汇到一点，再经 1000pF 到机壳地，泄放高频共模噪声。
  • 现在常用带变压器的 RJ45 一体座（Magjack）。

取值对比：

方案隔离EMC
PHY 直接出无差
分立变压器+Bob-Smith有好
Magjack 一体座有好、省板
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  • 现象：网口静电/浪涌打坏 PHY。
  • 原因：没有变压器隔离，网线浪涌直接进 PHY。
  • 解决：PHY 与 RJ45 之间必须经网络变压器/Magjack。

9. 常见坑与故障现象 ​

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  • USB 不识别：D+ 上拉漏接/接错。全速上拉 D+。
  • 以太网 LINK 不亮：变压器/RJ45 接线错、线序错。查 1/2、3/6 两对。
  • 差分线不等长：高速误码、眼图差。等长紧耦合。
  • 无 ESD 保护：对外口易被静电打坏。加 TVS/ESD。

10. 自测题 ​

全速 USB 设备在哪个线上拉 1.5k 电阻？

在 D+ 上拉 1.5kΩ 到 3.3V，主机据此识别为全速设备；低速设备则上拉在 D−。

以太网 PHY 为什么不能直接接网线？

需要网络变压器做电气隔离与共模抑制，保护 PHY 并满足 EMC；否则网线浪涌/地电位差会损坏 PHY。

11. 参考资料 ​

  • USB 2.0 Specification（设备枚举与电气）
  • IEEE 802.3 以太网物理层
  • 以太网 PHY 与 Magjack 数据手册