引言

以太網(wǎng)技術(shù)已成為現(xiàn)代通信和連接的支柱。這項技術(shù)目前廣泛應(yīng)用于消費、工業(yè)和汽車領(lǐng)域。以太網(wǎng)是一項基帶 LAN 技術(shù)，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá) 1Gbps，因此以太網(wǎng)可滿足高速通信的需求。千兆以太網(wǎng) MII 接口有多種類型，其中 RGMII 因其引腳數(shù)量更少、帶寬更高而被廣泛使用。

為了實現(xiàn)更高速的通信，網(wǎng)絡(luò)中的多內(nèi)核（PHY、MCU）越來越普遍。例如，汽車行業(yè)的區(qū)域架構(gòu)趨勢加速了以太網(wǎng)的采用，由此催生出將電子控制單元 (ECU) 和布線一同歸入特定域的新要求，如圖 1 所示。然而，多個電源軌用于 RGMII 通信的電源時序控制是多核應(yīng)用（例如 MAC 到 PHY、多 PHY 或多 MAC 系統(tǒng)）面臨的關(guān)鍵問題之一。

本文討論了用于解決電源時序難題的傳統(tǒng)方法，以及使用 TI 以太網(wǎng) RGMII 轉(zhuǎn)換器 TXV0106 和 TXV0108 隔離電源并提高系統(tǒng)級安全性和可靠性的優(yōu)勢。

圖 1 多 PHY 區(qū)域架構(gòu)

RGMII 的電源時序

圖 2 所示為以太網(wǎng)交換機的一個示例，其中多個 MAC 和 PHY 同時進(jìn)行通信。在這種多核系統(tǒng)中，很難按照特定順序或時序啟動或關(guān)閉每個域的電源軌，通常需要額外的監(jiān)控電路設(shè)計。功耗敏感型應(yīng)用中也存在類似的挑戰(zhàn)，在這些應(yīng)用中，系統(tǒng)設(shè)計人員需要使用負(fù)載開關(guān)有選擇性地關(guān)閉某些內(nèi)核的電源（當(dāng)不使用這些內(nèi)核時）。

圖 2 多核 RGMII 通信

電源時序解決方案

• 基于開關(guān)的解決方案

圖 3 顯示了如何使用信號開關(guān)來隔離始終在傳輸和喚醒 PHY 的 MCU。模擬開關(guān)通過外部 LDO 的斷電控制信號來隔離 MCU 和 PHY 之間的信號。當(dāng) PHY 處于斷電模式時，開關(guān)關(guān)斷，并關(guān)閉信號路徑。這種解決方案可以防止 PHY 在完全喚醒之前看到輸入信號。但由于需要路由多個開關(guān)和額外的斷電信號，該方案會導(dǎo)致成本和尺寸增加。此外，考慮到器件之間的差異、電路板布線寄生效應(yīng)以及與導(dǎo)通開關(guān)電阻之間的權(quán)衡，很難滿足 RGMII 嚴(yán)格的時序要求。

圖 3 基于開關(guān)的解決方案

• 基于延遲的解決方案

另一種常見解決方案是在兩個電源之間增加額外延遲，確保在施加 IO 之前始終穩(wěn)定供電。有多種方法可以實現(xiàn)延遲以減小浪涌電流，例如軟啟動、RC 延遲、邏輯門控制、PMIC 等。圖 4 顯示了一個使用簡單 RC 電路在電源 1 和電源 2 之間產(chǎn)生延遲的示例。

圖 4 基于 RC 延遲的解決方案

這種解決方案的缺點之一是，由于分立式 R 和 C 元件的差異較大，延遲精度無法得到保證。另一個缺點是，每次下電上電時，系統(tǒng)都必須承受額外的電流以對電容器進(jìn)行充電/放電。此外，電源 2 下的所有數(shù)據(jù)信號都“被迫”遵循相同的 RC 延遲，這在某些情況下是不可接受的。

• 使用 TXV010x 的電壓轉(zhuǎn)換解決方案

眾所周知，電壓轉(zhuǎn)換器用于不同 IO 電壓之間的電平轉(zhuǎn)換。但在許多情況下，電壓轉(zhuǎn)換器是一種具有成本效益且可靠的解決方案，可在電源時序控制期間提供電源隔離。例如，TI TXV010x 系列（TXV0106 和 TXV0108）不僅滿足嚴(yán)格的 RGMII 2.0 時序規(guī)格（即通道間延遲、上升/下降時間和占空比失真），而且通過三種內(nèi)置功能解決了電源時序難題。

圖 5 電壓轉(zhuǎn)換選項（TXV 系列）

1.IOFF

IOFF 功能（也稱為“局部斷電”或“后驅(qū)動保護(hù)”）可確保當(dāng)任一電源（VCCA 或 VCCB）保持在 0V 時，所有 I/O 引腳都會進(jìn)入高阻抗?fàn)顟B(tài)。即使 I/O 電壓高于電源電壓，該功能也能消除漏電流，并在部分 PHY 或 MAC 進(jìn)入待機模式時降低系統(tǒng)級靜態(tài)電流。這種靜態(tài)電流限制還允許在多核以太網(wǎng)系統(tǒng)中插入或移除 PHY，而不會中斷主機內(nèi)核。

2.VCC 斷開

VCC 斷開功能可進(jìn)一步改善系統(tǒng)穩(wěn)健性。它確保任何電源在斜升到高電平后出現(xiàn)懸空時，器件會將其接地并使輸出達(dá)到高阻態(tài)。該功能可保護(hù)系統(tǒng)免受因電源懸空而導(dǎo)致電流不受控制的影響。

3.無干擾上電/下電

干擾抑制功能可在 IO 單元完全激活之前消除上電和下電 IO 干擾。TXV010x 系列具有由上電復(fù)位 (POR) 塊控制的干擾抑制電路和 IO 高阻態(tài)電路。該功能可保持 IO 端口處于高阻抗?fàn)顟B(tài)，直到兩個電源都達(dá)到運行所需的特定閾值。POR 設(shè)計具有內(nèi)置遲滯，可避免慢速斜坡期間出現(xiàn)振蕩，從而進(jìn)一步提高各種電源時序事件的可靠性。針對系統(tǒng)中通常會出現(xiàn)的各種上電和下電場景，TXV010x 系列進(jìn)行了廣泛的電源時序測試，可實現(xiàn)可靠運行。

結(jié)論

當(dāng)今復(fù)雜的以太網(wǎng)系統(tǒng)具有在多個電壓節(jié)點上運行的 MAC/FPGA/PHY，在時序控制期間需要進(jìn)行電源隔離。本應(yīng)用簡報討論了不同的電源時序解決方案。TI 的全新 RGMII 轉(zhuǎn)換器（TXV0106 和 TXV0108）具有局部斷電 (IOFF) 功能、VCC 斷開功能和無干擾上電和下電功能。這些功能可避免浪涌電流、反向供電故障、干擾和過大的 IO 漏電流，從而在各種序列下提供系統(tǒng)級靈活性和安全性。使用 TXV010x 系列可解決高速 RGMII 通信的電源時序難題，同時實現(xiàn)成本、尺寸和性能優(yōu)化的系統(tǒng)級設(shè)計。