DIY Audiophile Ethernet Switch, Topaz
Verfasst: 17.06.2021, 12:49
Hallo zusammen, hier ist mein Prototyp-Versuch eines "audiophilen Ethernet-Switches", der fast fertig ist. Anfangs habe ich nicht daran geglaubt, aber beim Nachlesen habe ich einige Teile des Switch-Designs entdeckt, die tatsächlich verbesserungswürdig sind. Einige machten keinen Sinn. Diejenigen, die Sinn machten, habe ich in ein bestehendes industrielles Switch-Design eingebaut, das ich hatte.
Ohne andere Schalter zu nennen, verfolgt meiner einen anderen Ansatz. Es scheint viel Wert auf Signalisolierung gelegt zu werden, aber was in der Marketingsprache nicht erwähnt wird, ist, dass dies auf Kosten eines erhöhten Jitters geht. Ich entschied mich dafür, lieber alle internen Störquellen zu minimieren und die Stromversorgungen und Takte so rein und rauschfrei wie möglich zu halten, und die Temperatur so nahe wie möglich an die Raumtemperatur zu halten, wo alle Schaltungen an ihrem optimalen Arbeitspunkt sind. Außerdem habe ich der Anordnung der Komponenten und der Signalführung nahezu fanatische Aufmerksamkeit gewidmet, um die Signalintegrität und das Übersprechen absolut zu optimieren.
Die Isolation wird teilweise durch die Verwendung von diskreten Übertragern erreicht (die nicht nur viel Platz auf der Platine beanspruchen, sondern auch viel mehr kosten) und kann extern durch intelligentes Management von Stromversorgung und Verkabelung verbessert werden.
Einige Kernfunktionen umfassen:
- Enterprise-Gigabit-Ethernet-Switch-IC von Marvell. Dieser verfügt über erweiterte Umweltfähigkeiten und hochwertige Transceiver. Externer PHY für zusätzlichen Port mit einem RGMII MAC-Link.
- Diskrete Ethernet-Transformatoren für verbesserte Isolation und weniger parasitäre Rauschkopplung.
- Multilayer-Leiterplatte zur Ausnutzung der Power-Plane-Kapazität, indem die Power-Plane ein HF-Kondensator ist.
- Hochpräziser Crystek-Takt und Takt-Fanout-Puffer. Dies reduziert die Belastung der Taktrückgewinnungsschaltung durch weniger Jitter.
- EMI-Abschirmkäfig für den Ethernet-Switch selbst.
- Der Switch ist absichtlich nicht gemanagt, um Störungen durch den Steuerprozessor zu reduzieren, aber eine MCU wurde für zwei Funktionen eingebaut: Force 100MBps und Disable Port. Die erste ist, die Link-Geschwindigkeit auf 100Mbps zu begrenzen, dies reduziert die Taktraten 5x und damit die EMI. Die zweite ist, unbenutzte Ports ganz zu deaktivieren, um wiederum Emissionen und Stromverbrauch zu reduzieren. Es gibt auch eine Möglichkeit, die Ethernet-LEDs abzuschalten, um die Störaussendung zu reduzieren, da sich die LED's am Ausgang befinden. Die MCU kommuniziert nur während des Einschaltens mit dem Schalter und geht dann in den Ruhezustand, um Störungen zu reduzieren.
- Lineare Regler für alle Spannungsschienen außer der Schalterkernspannung, die einen doppelt gefilterten Schaltregler erhielt. Dedizierte, rauscharme Regler für die allgemeine digitale Versorgung, die analoge Schiene 1 des Schalters, die analoge Schiene 2 des Schalters, die PLL des Schalters, die Uhr und die MCU-Versorgung. Entkopplung mit mehreren Reihen von Keramik- und Polymertantalum.
- Integrierter diskreter Linearregler zum Herunterfiltern der eingehenden 12V aus der Fassbuchse. Dies macht einen sehr großen Unterschied und ermöglicht eine geringere Abhängigkeit von der Qualität der 12V-Haupteingangsspannung. Er benötigt allerdings einen großen Kühlkörper, um ca. 5W abzuführen, ohne die Elektronik zu erwärmen.
- Die kompakte Größe von 100x100mm kann in einem handelsüblichen Strangpressprofil mit Erdungsrippen an der Seite und einem Kühlkörper an der Vorderseite für den diskreten Regler verwendet werden, aber ich denke eher an ein kundenspezifisch gefaltetes Stahlchassis.
- Auf der Vorderseite wird mit einer zweifarbigen LED angezeigt, ob das Gerät eingeschaltet ist und alles in Ordnung ist. Auf der Rückseite befinden sich die fünf Ethernet-Buchsen mit integrierten Link-, Geschwindigkeits- und Aktivitäts-LEDs (falls aktiviert) sowie eine 12V-Gleichstrombuchse.
- 2x Externe 50Ohm SMA-Anschlüsse für Masterclock-Slaving der Switch-Clock an andere Geräte mittels LVPECL. In meinem Fall wird er an eine kundenspezifische PCIe-NIC angeschlossen, die ich gerade entwickle. Ich habe die üblichen 10MHz-Eingangsoptionen nicht vorgesehen, da ich nicht beabsichtige, externe Masterclocks zu verwenden.
Der Hauptzweck war, zu sehen, was man machen kann und einen für mich und einen Freund zu bauen. Die Ergebnisse beim Abhören waren jedoch sehr vielversprechend, noch bevor der EMI-Käfig zusammengebaut oder das Gerät in ein anständiges Gehäuse eingebaut ist.
Wenn also Interesse besteht, habe ich darüber nachgedacht, es möglicherweise als kleines Gruppenangebot zu eröffnen, das ein schönes kundenspezifisches Chassis und professionell bestückte Leiterplatten sowie einige kleine Korrekturen und Änderungen ermöglicht. Wenn jemand Interesse hat, kann er sich gerne bei mir melden. Die Kosten für alles (bestückte & getestete Platine, Chassis, Montage, Test, Versand etc.) sind schwer abzuschätzen, aber wenn 10x bestellt werden, denke ich, dass es unter 500EUR pro Stück sein kann und weniger, wenn es eine Nachfrage für >10 gibt.
Ein Bild der Oberseite des Schalters ist unten zu sehen; dies ist mit dem EMI-Käfig unmontiert und ohne Chassis, aber ansonsten komplett. Entschuldigung für die Qualität, der Schalter ist jetzt bei einem Freund, so dass ich noch kein besseres Bild machen kann
Die meisten der durchkontaktierten Komponenten einschließlich der Ethernet-Anschlüsse sind auf der anderen Seite, und der große Kühlkörper auf der Vorderseite. Ich habe ein paar Nummern hinzugefügt, um die verschiedenen Teile zu zeigen:
1 - Marvell 5-Port Gigabit-Switch
2 - Diskrete Gigabit-Transformatoren
3 - Präzisions-Crystek-Oszillator
4 - Rauscharme Linearregler (insgesamt 7)
5 - Externer Gigabit-PHY
6 - Steuer-MCU
7 - Schalter zur Begrenzung der Portgeschwindigkeit auf 100Mbps
8 - Port-Sperrschalter
9 - Rote/grüne LED an der Frontplatte
10 - 12V Eingangsstromanschluss, wird mit einem kurzen Kabel zur Gehäuserückwand geführt
11 - u.fl Koax-Anschlüsse zu externen SMA-Buchsen (falls verwendet)
12 - Kühlkörper für integrierten Hauptlinearregler
13 - Gitter zur Montage des EMI-Käfigs um den Schalter
14 - Eingangsleistungskonditionierung, mit Gleichtakt- und Gegentaktfilterung, Transientenschutz und Absicherung
15 - Diskreter Spannungsregler (größter Teil der Fläche)
Ohne andere Schalter zu nennen, verfolgt meiner einen anderen Ansatz. Es scheint viel Wert auf Signalisolierung gelegt zu werden, aber was in der Marketingsprache nicht erwähnt wird, ist, dass dies auf Kosten eines erhöhten Jitters geht. Ich entschied mich dafür, lieber alle internen Störquellen zu minimieren und die Stromversorgungen und Takte so rein und rauschfrei wie möglich zu halten, und die Temperatur so nahe wie möglich an die Raumtemperatur zu halten, wo alle Schaltungen an ihrem optimalen Arbeitspunkt sind. Außerdem habe ich der Anordnung der Komponenten und der Signalführung nahezu fanatische Aufmerksamkeit gewidmet, um die Signalintegrität und das Übersprechen absolut zu optimieren.
Die Isolation wird teilweise durch die Verwendung von diskreten Übertragern erreicht (die nicht nur viel Platz auf der Platine beanspruchen, sondern auch viel mehr kosten) und kann extern durch intelligentes Management von Stromversorgung und Verkabelung verbessert werden.
Einige Kernfunktionen umfassen:
- Enterprise-Gigabit-Ethernet-Switch-IC von Marvell. Dieser verfügt über erweiterte Umweltfähigkeiten und hochwertige Transceiver. Externer PHY für zusätzlichen Port mit einem RGMII MAC-Link.
- Diskrete Ethernet-Transformatoren für verbesserte Isolation und weniger parasitäre Rauschkopplung.
- Multilayer-Leiterplatte zur Ausnutzung der Power-Plane-Kapazität, indem die Power-Plane ein HF-Kondensator ist.
- Hochpräziser Crystek-Takt und Takt-Fanout-Puffer. Dies reduziert die Belastung der Taktrückgewinnungsschaltung durch weniger Jitter.
- EMI-Abschirmkäfig für den Ethernet-Switch selbst.
- Der Switch ist absichtlich nicht gemanagt, um Störungen durch den Steuerprozessor zu reduzieren, aber eine MCU wurde für zwei Funktionen eingebaut: Force 100MBps und Disable Port. Die erste ist, die Link-Geschwindigkeit auf 100Mbps zu begrenzen, dies reduziert die Taktraten 5x und damit die EMI. Die zweite ist, unbenutzte Ports ganz zu deaktivieren, um wiederum Emissionen und Stromverbrauch zu reduzieren. Es gibt auch eine Möglichkeit, die Ethernet-LEDs abzuschalten, um die Störaussendung zu reduzieren, da sich die LED's am Ausgang befinden. Die MCU kommuniziert nur während des Einschaltens mit dem Schalter und geht dann in den Ruhezustand, um Störungen zu reduzieren.
- Lineare Regler für alle Spannungsschienen außer der Schalterkernspannung, die einen doppelt gefilterten Schaltregler erhielt. Dedizierte, rauscharme Regler für die allgemeine digitale Versorgung, die analoge Schiene 1 des Schalters, die analoge Schiene 2 des Schalters, die PLL des Schalters, die Uhr und die MCU-Versorgung. Entkopplung mit mehreren Reihen von Keramik- und Polymertantalum.
- Integrierter diskreter Linearregler zum Herunterfiltern der eingehenden 12V aus der Fassbuchse. Dies macht einen sehr großen Unterschied und ermöglicht eine geringere Abhängigkeit von der Qualität der 12V-Haupteingangsspannung. Er benötigt allerdings einen großen Kühlkörper, um ca. 5W abzuführen, ohne die Elektronik zu erwärmen.
- Die kompakte Größe von 100x100mm kann in einem handelsüblichen Strangpressprofil mit Erdungsrippen an der Seite und einem Kühlkörper an der Vorderseite für den diskreten Regler verwendet werden, aber ich denke eher an ein kundenspezifisch gefaltetes Stahlchassis.
- Auf der Vorderseite wird mit einer zweifarbigen LED angezeigt, ob das Gerät eingeschaltet ist und alles in Ordnung ist. Auf der Rückseite befinden sich die fünf Ethernet-Buchsen mit integrierten Link-, Geschwindigkeits- und Aktivitäts-LEDs (falls aktiviert) sowie eine 12V-Gleichstrombuchse.
- 2x Externe 50Ohm SMA-Anschlüsse für Masterclock-Slaving der Switch-Clock an andere Geräte mittels LVPECL. In meinem Fall wird er an eine kundenspezifische PCIe-NIC angeschlossen, die ich gerade entwickle. Ich habe die üblichen 10MHz-Eingangsoptionen nicht vorgesehen, da ich nicht beabsichtige, externe Masterclocks zu verwenden.
Der Hauptzweck war, zu sehen, was man machen kann und einen für mich und einen Freund zu bauen. Die Ergebnisse beim Abhören waren jedoch sehr vielversprechend, noch bevor der EMI-Käfig zusammengebaut oder das Gerät in ein anständiges Gehäuse eingebaut ist.
Wenn also Interesse besteht, habe ich darüber nachgedacht, es möglicherweise als kleines Gruppenangebot zu eröffnen, das ein schönes kundenspezifisches Chassis und professionell bestückte Leiterplatten sowie einige kleine Korrekturen und Änderungen ermöglicht. Wenn jemand Interesse hat, kann er sich gerne bei mir melden. Die Kosten für alles (bestückte & getestete Platine, Chassis, Montage, Test, Versand etc.) sind schwer abzuschätzen, aber wenn 10x bestellt werden, denke ich, dass es unter 500EUR pro Stück sein kann und weniger, wenn es eine Nachfrage für >10 gibt.
Ein Bild der Oberseite des Schalters ist unten zu sehen; dies ist mit dem EMI-Käfig unmontiert und ohne Chassis, aber ansonsten komplett. Entschuldigung für die Qualität, der Schalter ist jetzt bei einem Freund, so dass ich noch kein besseres Bild machen kann
Die meisten der durchkontaktierten Komponenten einschließlich der Ethernet-Anschlüsse sind auf der anderen Seite, und der große Kühlkörper auf der Vorderseite. Ich habe ein paar Nummern hinzugefügt, um die verschiedenen Teile zu zeigen:
1 - Marvell 5-Port Gigabit-Switch
2 - Diskrete Gigabit-Transformatoren
3 - Präzisions-Crystek-Oszillator
4 - Rauscharme Linearregler (insgesamt 7)
5 - Externer Gigabit-PHY
6 - Steuer-MCU
7 - Schalter zur Begrenzung der Portgeschwindigkeit auf 100Mbps
8 - Port-Sperrschalter
9 - Rote/grüne LED an der Frontplatte
10 - 12V Eingangsstromanschluss, wird mit einem kurzen Kabel zur Gehäuserückwand geführt
11 - u.fl Koax-Anschlüsse zu externen SMA-Buchsen (falls verwendet)
12 - Kühlkörper für integrierten Hauptlinearregler
13 - Gitter zur Montage des EMI-Käfigs um den Schalter
14 - Eingangsleistungskonditionierung, mit Gleichtakt- und Gegentaktfilterung, Transientenschutz und Absicherung
15 - Diskreter Spannungsregler (größter Teil der Fläche)