摘要在消費(fèi)電子外設(shè)、工業(yè)控制與嵌入式領(lǐng)域通過USB接口擴(kuò)展有線以太網(wǎng)是常見需求。南京沁恒微電子推出的CH397是一款高集成度、低功耗的USB網(wǎng)卡芯片其核心特征在于將USB控制器、以太網(wǎng)MAC/PHY、處理器及電源管理單元整合于單一芯片內(nèi)。本文基于官方數(shù)據(jù)手冊(cè)從架構(gòu)、協(xié)議、硬件設(shè)計(jì)等維度做技術(shù)梳理。一、芯片整體架構(gòu)與自研內(nèi)核CH397內(nèi)部集成自研青稞32位RISC-V處理器配合全自研的USB2.1高速設(shè)備控制器及內(nèi)置PHY收發(fā)器以及符合IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的10BASE-T/100BASE-TX以太網(wǎng)MAC與PHY。系統(tǒng)框圖上USB差分信號(hào)經(jīng)PHY接收后通過片內(nèi)PLL生成480MHz基準(zhǔn)時(shí)鐘數(shù)據(jù)交由RISC-V內(nèi)核進(jìn)行封包緩存與協(xié)議解析以太網(wǎng)側(cè)則通過內(nèi)置MII總線直連PHY完成VLAN標(biāo)記、校驗(yàn)和生成與檢查等硬件加速處理。內(nèi)置獨(dú)立的TX/RX封包緩沖無需外掛RAM數(shù)據(jù)流可實(shí)現(xiàn)并行處理。處理器IP、控制器IP及收發(fā)器IP均為自研并緊密整合集成在數(shù)據(jù)傳輸效率與成本控制方面具備一定優(yōu)勢(shì)且無需向外支付第三方IP授權(quán)費(fèi)用。二、USB與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議支持該芯片支持CDC-ECM、CDC-NCM及RNDIS協(xié)議對(duì)應(yīng)Windows、Linux、macOS、Android等主流操作系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)免驅(qū)安裝也可按需定制廠商驅(qū)動(dòng)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層完整兼容IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)支持10M/100M速率自動(dòng)協(xié)商、Auto-MDIX線序自動(dòng)翻轉(zhuǎn)無需外部切換電路。芯片內(nèi)置硬件校驗(yàn)引擎支持IPv4/IPv6的TCP/UDP及IP頭部校驗(yàn)和的生成與檢查有效降低主機(jī)CPU開銷。同時(shí)支持IEEE802.3x全雙工流量控制、半雙工沖突回退機(jī)制以及802.1Q VLAN標(biāo)記識(shí)別可適配多網(wǎng)段隔離等場(chǎng)景。物理層兼容CAT5/CAT6雙絞線理論傳輸距離可達(dá)120米。三、電源、時(shí)鐘與復(fù)位設(shè)計(jì)供電方面CH397支持單5V或單3.3V兩種模式。5V供電時(shí)啟用內(nèi)部LDO降壓至3.3V3.3V直供時(shí)需將V5與AVDD33共同接入外部3.3V電源此時(shí)內(nèi)部LDO關(guān)閉芯片溫升和功耗均更低工業(yè)級(jí)應(yīng)用建議采用此方案以減小芯片壓降和溫升。需注意的是批號(hào)倒數(shù)第6位為0與為8的芯片在5V供電時(shí)的輸入范圍略有差異具體以規(guī)格書為準(zhǔn)。各電源域引腳需按手冊(cè)要求搭配不同容值的退耦電容多個(gè)AVDD33同名引腳之間建議短接PCB走線應(yīng)盡量寬。時(shí)鐘源采用外置25MHz無源晶體芯片內(nèi)部已集成12pF負(fù)載電容若選用20pF晶體僅需外掛15pF微調(diào)電容無需復(fù)雜振蕩匹配。片內(nèi)PLL由25MHz基準(zhǔn)生成480MHz USB時(shí)鐘、125MHz以太網(wǎng)PHY時(shí)鐘及處理器工作時(shí)鐘。復(fù)位支持上電POR和低壓LVR兩級(jí)保護(hù)電壓低于2.6/2.8/3.1V門限時(shí)自動(dòng)復(fù)位常規(guī)應(yīng)用無需外部復(fù)位電路若需手動(dòng)復(fù)位低電平脈寬建議至少5μS。四、封裝、引腳與擴(kuò)展接口CH397提供QFN244x4mm與QFN324x4mm兩種封裝引腳節(jié)距分別為0.5mm和0.4mm訂貨型號(hào)分別為CH397A和CH397Y均帶底部接地焊盤GND必要連接另有部分GND引腳可選連接以增強(qiáng)接地效果。GPIO6為通用IO接口內(nèi)置上拉對(duì)于批號(hào)倒數(shù)第6位為8的芯片復(fù)位完成后該引腳默認(rèn)為USB配置狀態(tài)指示ACT低電平有效。該引腳在規(guī)格書中同時(shí)列為NC保留引腳建議無特殊需求時(shí)懸空。GPIO8同樣為通用IO接口內(nèi)置上拉復(fù)位和初始化期間復(fù)用為SPI Flash片選信號(hào)SCS。完整SPI接口還包括SCK串行時(shí)鐘輸出和SDIO串行數(shù)據(jù)輸入輸出接Flash的SI和SO引腳便于擴(kuò)展外掛Flash存儲(chǔ)自定義MAC地址、MAC過濾配置、USB廠商ID、產(chǎn)品ID、USB電源配置、VLAN配置及廠商自定義字符串等參數(shù)。CH397A的NC空腳為6、9、12、16CH397Y的NC空腳為10、11、13、17、19未使用引腳建議懸空注20腳為SDIO功能引腳非NC。芯片內(nèi)置兩路專用LED指示燈LED0/LED1支持閃爍頻率和占空比配置。SPI時(shí)鐘上限50MHz無外掛Flash時(shí)芯片自動(dòng)加載內(nèi)置默認(rèn)配置。五、電氣特性與功耗表現(xiàn)芯片ICC工作電流方面基于25℃標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件百兆滿載典型電流75mA百兆空閑70mA10M傳統(tǒng)模式滿載80mA節(jié)能模式滿載65mA節(jié)能模式空閑僅42mA以太網(wǎng)斷開52mAUSB斷開整機(jī)17mA。L1睡眠電流8~12mA深度睡眠低至0.2~0.4mA適配便攜設(shè)備。工作溫度-40~85℃6KV增強(qiáng)ESD性能Class3AHBM人體模型耐壓5K~7KV。VDD10支持2.3~3.5V寬范圍供電IO電平兼容3.3V/2.5V輸出驅(qū)動(dòng)滿足常規(guī)LED及邏輯器件需求。六、典型應(yīng)用與外圍設(shè)計(jì)參考電路分為USB網(wǎng)卡適配器和板載嵌入式網(wǎng)口兩類拓?fù)渫鈬鷺O為精簡(jiǎn)僅需25MHz晶體、退耦電容、RJ45座及網(wǎng)絡(luò)變壓器無需外置PHY、LDO及49.9Ω匹配電阻芯片已內(nèi)置50Ω阻抗匹配。網(wǎng)絡(luò)變壓器中心抽頭通過電容接地禁止接電源USB差分端口可串聯(lián)保險(xiǎn)電阻可選配ESD保護(hù)器件。規(guī)格書提及可采用電容隔離替代網(wǎng)絡(luò)變壓器但效果略差于網(wǎng)絡(luò)變壓器。工業(yè)級(jí)應(yīng)用建議3.3V直供以降低功耗和溫升PCB設(shè)計(jì)時(shí)需考慮電流承載能力電源與地走線應(yīng)盡量寬。總結(jié)CH397由南京沁恒微電子推出通過將USB控制器、百兆以太網(wǎng)MAC/PHY、RISC-V處理器及電源管理全部整合于單芯片為USB轉(zhuǎn)有線網(wǎng)口提供了外圍精簡(jiǎn)、功耗可控的技術(shù)路徑相關(guān)參數(shù)已在數(shù)據(jù)手冊(cè)中明確可供工程師評(píng)估參考。