USB转千兆网硬件设计中，分立PHY-MAC方案需要多组外部调压芯片，电源轨多带来噪声耦合与器件数量偏多的问题。沁恒微电子的CH398在5×5mm QFN40封装内集成RISC-V内核、USB3.2 Gen1/USB2.1收发器与完整千兆以太网MAC-PHY，内置LDO与DCDC调压单元，支持多种供电输入模式，可实现USB主机扩展10/100/1000M以太网。

一、芯片概述与硬件架构

1.1 系统级应用拓扑

整机分为USB主机接入层、协议处理层与以太网物理输出层三级通路。USB3/USB2差分信号进入片内USB-PHY，报文送入片内缓冲；RISC-V内核完成USB协议解析，紧耦合MAC单元完成IPv4/IPv6报文校验、VLAN与巨型帧处理，报文转交内置千兆PHY，通过四对MDI差分输出至网络变压器与RJ45接口。收发双向拥有独立缓冲，数据流互不抢占资源。芯片内置固件支持CDC-NCM、CDC-ECM与RNDIS协议，操作系统原生驱动即可识别。RISC-V内核统筹链路电源管理、网络唤醒与LED配置；电源模块生成1.1V内核与3.3V IO电压，各模拟域通过独立电源轨隔离。

1.2 内部功能模块划分

USB物理层域集成USB3.2 Gen1（5Gbps）与USB2.1（480Mbps）双PHY，完整支持U1/U2/U3与L1/L2链路电源管理。

千兆以太网MAC-PHY域兼容IEEE802.3ab千兆标准，硬件实现Auto-MDIX、802.3az以太网节能与802.3x流量控制。

RISC-V协议处理域内置SRAM缓冲，硬件完成TCP/UDP校验、报文分片重组与魔术包远程唤醒处理。

集成电源调压域内置LDO与DCDC单元，支持5V或3.3V输入源生成1.1V内核与3.3V IO电压，提供多种供电配置路径。

外设配置域中CH398M型号提供SPI接口，可外挂SPI Flash固化VID/PID与MAC地址，多路LED可配置闪烁频率与占空比。

时钟复位域支持25MHz无源晶振输入，集成POR上电复位与LVR低压检测，RSET引脚需外接2.49KΩ参考电阻提供模拟基准。

1.3 封装与关键参数

CH398提供QFN40封装（5×5mm），工作温度范围为-40℃至85℃。USB3.2 Gen1速率5Gbps，以太网10/100/1000M自适应；支持巨型帧、VLAN标记与魔术包唤醒；USB信号HBM ESD防护等级为5kV，以太网信号为3kV；支持单5V、单3.3V、外部双电源直供与内部低压LDO共四类供电方案。CH398M型号引出SPI接口，CH398X无SPI功能。

二、核心处理机制

2.1 硬件加速报文校验

来自USB的网络报文直接送入硬件校验单元，无需内核软件搬运，完成IPv4与IPv6的TCP/UDP头部校验计算。上行与下行配置独立FIFO缓冲区，千兆满负载下降低主机CPU占用。硬件实现巨型帧分片重组、802.3x全双工流控与半双工冲突回退；PHY自动执行Auto-MDIX，完成网线收发极性自适应切换。

2.2 固件与参数加载

芯片默认支持CDC-ECM免驱模式，也可切换CDC-NCM与RNDIS模式。CH398M上电优先检测外部SPI Flash，读取自定义MAC、VID/PID与LED参数；若无有效Flash则加载芯片出厂预置参数，也可通过USB接口使用配置工具在线改写参数。

2.3 休眠与网络唤醒

芯片实现分级功耗管理，USB进入挂起状态时以太网PHY切换低功耗模式；检测到魔术包或指定唤醒报文时硬件触发链路唤醒。LED输出引脚可配置链路速率与连接状态的闪烁占空比，反映网卡实时工作状态。

三、供电与设计约束

3.1 四类供电方案

单5V输入：VDD5接入5V，片内LDO生成3.3V，DCDC生成1.1V内核。

单3.3V输入：外部输入3.3V，依靠片内DCDC生成1.1V内核。

外部双电源直供：断开功率电感，外部独立提供3.3V与1.1V，关闭片内DCDC以降低开关噪声。

内置低压LDO模式：CFG引脚下拉，关闭DCDC，使用内部低压LDO产生1.1V，该模式功耗高，需额外散热。

DCDC路径需搭配2.2μH功率电感，输出端总滤波电容容量不低于10μF。各电源引脚需就近布置高频去耦电容，具体去耦参数请参考沁恒官方硬件设计指南。

3.2 时钟与复位

采用25MHz无源晶振作为基准时钟，XI/XO外接负载电容匹配晶体规格。内置POR上电复位产生延时等待电源稳定；LVR低压检测在电压低于阈值时自动触发全局复位。RSET引脚需外接2.49KΩ±1%电阻至地作为模拟基准。

3.3 PCB布局建议

USB3超高速差分、USB2差分与以太网MDI四组差分走线应分区布局，保证完整连续地平面，严禁跨电源分割。USB3差分对内长度误差建议控制在5mil以内，以太网差分阻抗需匹配100Ω。网络变压器中心抽头采用电容单点接地，不直连电源。芯片已内置50Ω匹配电阻，外部不再增加。25MHz晶振需紧邻XI/XO引脚，区域包地以降低EMI。QFN底部散热焊盘需完整铺铜并采用多过孔连接地平面，底板至少16个接地过孔。

四、典型应用场景

CH398X型号不引出SPI接口，自定义参数仅可通过USB工具配置。内置低压LDO模式功耗高，仅限特定临时场景使用。DCDC会引入开关噪声，对噪声敏感场景建议采用外部直供方案。该芯片适用于Type-C便携千兆网卡、工控板载网口、嵌入式联网模块、扩展坞网口通道及老旧设备网络升级等硬件平台。

深圳市潜创微科技有限公司为国家高新技术、专精特新中小企业，可提供该芯片规格手册、参考设计与FAE技术支持，助力硬件项目快速落地量产。