深度解析，网络变压器为何能扮演信号传输的“清道夫”

在信息化时代网络通信技术日新月异高速、稳定的数据传输成为企业发展的关键因素。网络变压器作为通信设备中不可或缺的组件发挥着至关重要的作用。今天沃虎来为您全面介绍网络变压器的基本概念、如何选型以及其设计应用。

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网络变压器又被称为网络隔离变压器或者数据汞网络隔离变压器的叫法相对常见而数据汞主要是消费级PCI网卡应用上比较常用的叫法这也导致很多新的采购人员寻找数据汞产品时途径相对较少如果熟悉了它在电子元器件行业的其他大名那将是采购人员柳暗花明的广阔天地。
接下来沃虎还将继续给大家分享网络变压器的分类和内部结构的相关知识介绍方便大家更加全面的认识网络变压器产品不足之处欢迎讨论

1. 网络变压器的概述

网络变压器是一种专门用于网络通信领域的电子元器件 也是实现以太网与终端接口连接的关键组件肩负着信号传输、阻抗匹配、杂波抑制以及高压隔离等多重使命为确保数据在传输过程中的 稳定性和安全性 在通信领域中扮演着不可或缺的角色。网络变压器的核心组成部分包括磁芯、线圈、骨架、屏蔽罩以及连接器等。其 工作原理基于电磁感应 通过一次侧线圈接收到的信号在磁芯中产生变化的磁场进而在二次侧线圈中感应出电压以此完成信号的传递。

当然从理论上讲以太网可以直接与终端接口相连但外部电路的干扰以及传输距离的限制使得这一方案在实际应用中存在瓶颈。网络变压器的介入凭借其独特的绕线结构——差模电感与共模电感的结合有效地抑制了共模和差模信号的干扰实现了信号的滤波和增强从而显著提升了信号的传输距离。

此外网络变压器的应用也为以太网与外部电路之间构建了一道有效的隔离屏障大大增强了系统的抗干扰能力。即便面临不同电压的接入也能确保以太网本身的稳定运行。同时网络变压器也为设备提供了一定程度的防雷保护。

2. 网络变压器构成件及工作原理

网络变压器基础三大件为T件(Transformer变压器)、K件(Common mode Choke共模扼流圈)、A件(Center Tapped Auto-Transformer中心抽头自耦变压器) 根据组合方式不同网络变压器又分为单T件网络变压器、T件+K件网络变压器、T件+三线穿环K件网络变压器和T件+K件+A件网络变压器。

1、单T件网络变压器

如下图1所示。为单T件网络变压器及其阻止EMI传向PHY芯片和数据信号传输示意图。

图1 单T件网络变压器及信号传输示意图

在Pin4和Pin6上的EMI干扰线号橙色信号大小相等方向相反波形完全相同。他们在次级上下两个线圈中引起的电流大小相等、方向相反相互抵消。 两电流在磁环内引起的磁通变化互相抵消了 。磁通变化为零意味着次级上、下两个线圈呈现的感抗为零可以用两根短路线代替它们。EMI通过两根短路线。中间抽头、R-C串联电路将EMI泄放到地线上进而减小了EMI的幅度。

同样的道理来自内部电路的EMI将通过初级线圈的中间抽头和C2泄放到地线上可减少设备内部的EMI通过导线向空中发射的幅度。

蓝色信号为数据电压信号在次级上下两个线圈中引起的电流大小相等、方向相同在T件次级线圈内部引起的磁通变化互相叠加呈现高感抗。

可见带中间抽头的网络变压器具有阻断EMI在其初级—次级线圈之间互相传播的作用。

2、T件+K件网络变压器

T件+K件网络变压器示意图及信号传输的示意图如下图2所示。

图2 T件+K件络变压器及信号传输示意图

图2所示为T件和K件扼流圈组成网络变压器的原理图。在网络变压器中增加K件是因为K件对有用的数据电压差分信号没有衰减作用但可以衰减EMI。增加K件后可以进一步阻断EMI在其初级一次级线圈之间互相传播。

如上图右侧所示橙色信号为EMI、蓝色信号为电压差分信号橙色和蓝色箭头分别代表EMI和数据电压信号在K件和T件初级线圈的电流方向。分析可知 当数据电压信号从Pin4和Pin6流经K件的上下两个线圈时其电流大小相等方向相反。它们在K件磁环内部引起的磁通变化互相抵消了。 磁通变化为零意味着K件上、下两个线圈呈现的感抗为零。也就是说不考虑K件内阻影响的情况下K件对数据电压信号没有衰减能力。

如上图橙色箭头可知当EMI流经K件上下两个线圈时产生的电流大小相等方向相同。它们在K件磁环内部引起的磁通变化互相叠加。K件呈现的感抗ZL将按以下公式随着频率的上升而线性增加。L为K件的电感。

ZL=2πfL

K件是串联在EMI回路中的 EMI在到达T件次级线圈之前有相当一部分要降在K件两端所以扼流圈起到阻断EMI的作用。K件对EMI中高频成分的阻断效果更好因为频率越高越大降在K件两端的EMI越大。同样的道理K件还可以阻断设备内部产生的EMI传送到导线上。T件+K件网络变压器相较于T件网络变压器对于EMI的衰减能力进一步提升。

3、T件+K件+A件网络变压器

图3为由T件、K件和A件自耦变压器组成的T件K件+A件网络变压器的原理图。图中新增加A件的电感量比较大通常在1.5~2.0mH。

在网络变压器中再增加A件是因为增加了电感量很大的A件对有用的数据电压信号没有明显的衰减 但可以更进一步阻断EMI在变压器初一次级之间传播。

图3 T件+K件+A件网络变压器示意图

如下图4所示网络变压器传送数据电压信号和EMI的示意图。在图中蓝色信号为数据电压信号、橙色信号为EMI橙色箭头和蓝色箭头分别是数据电压信号和EMI信号在网络变压器中电流的方向。

图4 T件+K件+A件网络变压器信号传输示意图

从图中可以看出EMI经过自耦变压器上、下两个线圈时其方向相反它们在A件磁环内部引起的磁通变化互相抵消因此A件呈现的感抗接近于零EMI通过R-C串联电路泄放到地线上因而减小了EMI的幅度。A件的泄放作用同T件的次级线圈作用相似。而数据电压信号在经过自耦变压器上下两个线圈时其方向相同他们在A件磁环内部引起的磁通变化互相叠加因此A件呈现的感抗很大。

EMI经过A件自耦变压器、K件扼流圈和T件次级线圈三重处理使得EMI的幅值大大降低该网络变压器对EMI的衰减能力大大提升。

注意

网络变压器中的K件和A件可以进一步遏制内外产生的EMI在网口通讯电路中传播但它们也对正常的数据信号产生一定负影响因为K件和A件都具有寄生和分布参数。例如K件和A件各自两个线圈之间都有线间电容这些电容都是并联在Pin6和Pin4两端的。在网络变压器输出或输入端并联电容必定会压缩其高频端的频带频带变窄将使通过它的数据电压信号的上升前沿和下降后沿变慢导致数据传送的速率降低。因此在网络变压器中安排一个K件和一个A件或者在其T件初级侧、次级侧各安排一个K件就足够了。如果再增加K件或A件的数目不仅增加生产成本还会降低数据传送的速率。

由于T件次级线圈起到A件的作用所以目前用得最多的是T件、K件组成的网络变压器。

3. 网络变压器的分类

网络变压器主要分类 依据以下几个核心参数结构类型 封装类型 传输速率 端口数 应用环境 以及POE供电能力

1. 依据结构类型分类

分离式网络变压和集成网络变压器模块的RJ45连接器

WHSG24002G

单口千兆网络变压器

SYT-320DBL

RJ45集成千兆变压器

2. 依据封装类型分类SMD表面贴片/DIP插件穿孔

WHSG24002G

单口千兆贴片

WHDG24102G

单口千兆插件

3. 依据传输速率分类

10/100 Base-TX /Gigabit Base-TX/2.5G Base-T / 5G Base-T / 10G Base-T

WHS16013LF

百兆

WHSG24301G

千兆

WHSQ24301G

2.5G/5G

WHSM24002G

10G

4. 依据Port数目分类

单口(Single Port)

双口(Dual Ports)

四口(Quad Ports)

WHSG24701G

单口千兆

WHSG48001G

双口千兆

WHDG72K01G

四口千兆

5.依据客户的应用环境 工作温度分类

消费电子 (Consumer Operation Temp.: 0~70°C)

工业设备 (Industry Operation Temp.: -40~+85°C)

汽车 (Automotive Operation Temp.: -40~+125°C)

军工与航天 (Mili-Aero Operation Temp.: -55~+155°C)

WHS16013LF

消费

WHS16037TG

工业

WHS16002GA

汽车

WHS16002GM

军工

6. 依据POE供电能力分类

非PoE (Meets IEEE802.3ab Standard)

PoE (15W供电能力 Meets IEEE802.3af Standard)

PoE+ (30W及以上供电能力 Meets IEEE802.3at Standard)

4PPoE (90W供电能力 Meets IEEE802.3bt Standard)

WHS40005G

四口百兆非POE

WHSG24015G

单口千兆 POE15W

WHSG24719PTG

单口千兆 POE30W

WHSQ24702-1PTG

2.5G/5G POE:90W

4. 网络变压器设计选型

PHY芯片根据接口的驱动类型分为电压型PHY和电流型PHY。 在实际组网的过程中本端设备是无法预知对端设备的类型以及电平要求的但由于变压器的存在所以不同类型的PHY芯片的互连只需要参照不同电平交流耦合时的策略即可即只管好自己本地匹配。当两边都是电压型PHY的情况下由于电压型PHY的接口是标准的通过变压器互连不存在任何问题变压器中心抽头直接通过电容接地即可两边是电流型PHY时由于电流型PHY的接口驱动需要的是灌电流所以变压器中心抽头需接电源上拉电压视PHY芯片本身要求的共模电压而定当电压型PHY和电流型PHY对接时两边的抽头上拉电源按各自PHY芯片要求即可即使两者不同也无所谓因为变压器无法传输直流电压。

图4 电压型PHY和电流型PHY对接

共模电感分为两线共模和三线共模两种放置位置可以是PHY侧也可以是cable侧或者两边都放。几种放置方式如图4所示。

图5 共模电感放置位置示意图

共模电感放置在cable侧可以更好地过滤变压器不平衡导致的干扰 这是其相较于放置于PHY侧的一个优势但在POE供电的场景下PHY侧的共模电感无需承担POE电流不易饱和所以其体积可以做得更小在布局上是受益比较大且其EMC性能也较好。由于电流型PHY需要外接电源提供电流在配套两线共模电感使用时输出低电平时电流经过主变压器以及共模电感上半线圈形成回路输出高电平时反之输出0时则经过共模电感两个线圈形成回路当电流只流经一个线圈时产生的磁场无法抵消共模电感表现为高阻抗从而影响正常信号的信号质量。使用三线共模时则无论输出何种店铺电流都会流过两个线圈且方向相反磁场相互抵消对信号无影响。

图6 两线共模与三线共模电感配合电流型PHY

如果对相关的EMC指标要求较高则会采用如图4c所示的结构在PHY侧和cable侧均布置共模电感。为了适配电流型PHY可将PHY侧的共模电感改为三线共模。综上在无需POE供电的场景下采用两线共模电感、cable侧放置方案的兼容性和收益较高但在POE场景下则可优先考虑三线共模、PHY侧放置的方案。

根据以上分析整理出下表在选用以太网变压器时可做参考

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5.网络变压器设计应用

1.分离式网变应用

下图 1 以太网的典型应用 。我们的PCB设计基本是按照这个框图来布局布线下面我们就以这个框图详解以太网有关的布局布线要点。

图 2网口变压器没有集成在网口连接器里的参考电路

PCB布局、布线图下面就以图 2介绍以太网电路的布局、布线需注意的要点。

图2 变压器没有集成在网口连接器的电路PCB布局、布线参考

2.变压器分离的的RJ45设计方式

图3 非集成型RJ45接口

3.PCB布局要求

1 变压器和RJ45接口分离的情况下如图4所示RJ45接口和变压器之间的距离尽可能的缩短在满足工艺要求的情况下

图4 变压器和RJ45接口的间距

2 以太网转换芯片PHY和变压器之间的距离也应该尽可能的短距离一般不超过5inch若RJ45接口自带变压器则以太网转换芯片尽可能的靠近RJ45接口放置如5所示。

图5 PHY芯片的间距要求

3 如图6所示交流端接电阻的放置一般先按照芯片手册推荐的放置有的芯片会要求放置在以太网转换器端如没有特殊要求就靠近以太网转换芯片放置

图6 交流端接电阻的放置

4 复位电路信号应当尽可能的靠近以太网转换芯片如果可能的话应当远离TX+/-、RX+/-差分信号和时钟信号

5 时钟电路应当尽可能的靠近以太网转换芯片远离电路板的边缘以及其它高频信号、IO端口走线和其它磁性元器件

根据以上布局要求总体布局示意可以归纳如图7所示

图7 RJ45布局总体示意图

4.PCB布线要求

1 TX+,TX-和RX+,RX-尽量走表层这两组差分对之间的间距至少4w以上,对内的等长约束为5mil,两组差分对之间不需要等长.如图8.

图8 RX、TX差分布线要求

2 考虑到变压器为干扰源变压器下面所有层需要进行挖空处理挖到变压器的丝印即可不用挖到焊盘如图9。

图9 变压器本体下面挖空

3) PHY芯片到CPU的发送部分

GTX_CLK\TX_EN\TX_ER\TXD[7:0]和接收部分GRX_CLK\RX_DV\RX_ER\RXD[7:0]要分开布线不要将接收和发送网络混合布线、线与线直接的间距满足3WRX和TX分别等长等长范围在100mil阻抗控制50欧姆。

4 电源信号的走线包括退耦电容的走线、电源线、地线应保持短而宽退耦电容上的过孔直径最好稍大一点每一个电容都应该有一个独立的过孔到地不要共用地过孔

5 交流端接一般要通过电阻以后再连接到芯片或者变压器上面不允许有STUB线的出现

6 对于千兆以太网的差分对要优先选择最优的信号层进行布线过孔的数量不要超过两个并且打孔换层的时候要在200mil的范围内增加回流地过孔如图10。

图10 回流孔的放置

7 电源和地的处理原则

RJ45底盘接地和数字地通过一个1M欧姆的电阻和一个0.1uF的去耦电容隔离。其底盘接地和数字地的间距必须比60mil宽。如图11及图12所示。

图11 典型变压器集成单RJ45的机箱/数字地平面

图12 典型RJ45和变压器分开的机箱/数字地平面

‚所有不同的电源电压的的数字和模拟电源平面应当隔离。如图13及图14所示。

图13 典型变压器集成单RJ45的数字/模拟电源平面

图14 典型RJ45和变压器独立的数字/模拟电源平面

注意

从以太网物理层接口器件过来的信号接往RJ45网口插座时需要注意金属机壳以及与印制板相连的金属前面板应与印制板内部电路包括信号和地线层隔离至少 5mm 以上印制板静电电流泄放通路的地应优先选择机壳地板上的金属部件和金属接插件能就近接机壳的应就近接机壳无法就近接机壳的接静电保护地环或工作地,工作地应是大面积的地层。

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