網絡變壓器的介紹分類及工作原理

網絡變壓器的介紹分類及工作原理

1、網絡變壓器的介紹

網絡變壓器也被稱作「數據汞」，也可稱爲網絡隔離變壓器。它在一塊網絡接口上所起的作用主要有兩個，一是傳輸數據，它把PHY送出來的差分信號用差模耦合的線圈耦合濾波以增強信號，並且通過電磁場的轉換耦合到不同電平的連接網線的另外一端；一是隔離網線連接的不同網絡設備間的不同電平，以防止不同電壓通過網線傳輸損壞設備。除此而外，數據汞還能對設備起到一定的防雷保護作用。它主要用在網絡交換機、路由器、網卡、集線器裏面，起到信號耦合、高壓隔離、阻抗匹配、電磁干擾抑制等作用。

網絡變壓器實物產品圖：

2、網絡變壓器分類

產品依據結構類型，可以分爲兩類:
a. 離散性網絡變壓器(DiscreteLAN Magnetics Module)；
b. 內部集成磁性變壓器模塊的RJ45連接器 (RJ45 Connector with Integrated Magnetics,ICMs);

產品依據客戶焊接類型，可以分爲兩類:
a. 表面貼裝元件 (SMT,Surface Mount Type)
b. 插件元件 (TH,Through-Hole Type)

產品依據傳輸速率，可以分類四類:
a. 10Base-T,
b. 10/100Base-T,
c. 1000 Base-T,
d. 10G Base-T.

(Base-T: Baseband，雙絞線對。簡而言之，Base-T是一種以bps速率工作的局域網（LAN）標準，它通常被稱爲快速以太網，並使用UTP（非屏蔽雙絞線）銅質電纜。快速以太網有三種基本的實現方式：Base-FX、 Base-T、和1Base-T4。每一種規範除了接口電路外都是相同的，接口電路決定了它們使用哪種類型的電纜。爲了實現時鐘/數據恢復（CDR）功能，Base-T使用4B/5B曼徹斯特編碼（Manchester Encoding）機制。)

3、網絡變壓器的工作原理:

3.1 內部結構

1、共模扼流圈（CMC：Common mode Choke）

共模扼流圈(Common mode Choke)，也叫共模扼制電感，是在一個閉合磁環上對稱繞制方向相反、匝數相同的線圈。理想的共模扼流圈對L（或N）與E 之間的共模干擾具有抑制作用，而對L 與N 之間存在的差模干擾無電感抑制作用。但實際線圈繞制的不完全對稱會導致差模漏電感的產生。信號電流或電源電流在兩個繞組中流過時方向相反，產生的磁通量相互抵消，扼流圈呈現低阻抗。共模噪聲電流（包括地環路引起的騷擾電流，也處稱作縱向電流）流經兩個繞組時方向相同，產生的磁通量同向相加，扼流圈呈現高阻抗，從而起到抑制共模噪聲的作用。共模電感實質上是一個雙向濾波器：一方面要濾除信號線上共模電磁干擾，另一方面又要抑制本身不向外發出電磁干擾，避免影響同一電磁環境下其他電子設備的正常工作。

共模扼流圈可以傳輸差模信號，直流和頻率很低的差模信號都可以通過，而對於高頻共模噪聲則呈現很大的阻抗，所以它可以用來抑制共模電流騷擾。

共模電感扼流圈是開關電源、變頻器、UPS 電源等設備中的一個重要部分。其工作原理：當工作電流流過兩個繞向相反線圈時，產生兩個相互抵消的磁場 H1、 H2 ，此時工作電流主要受線圈歐姆電阻以及可忽略不計的工作頻率下小漏電感的阻尼。如果有干擾信號流過線圈時，線圈即呈現出高阻抗，產生很強的阻尼效果，達到衰減干擾信號作用。

CMC抑制共模信號：

顧名思義，共模扼流圈是用來抑制共模噪聲信號（無用的信號，干擾信號)的元件，它對共模噪聲信號形成高阻抗，而對差模信號(有用的信號)基本上無影響。它是抑制EMI電磁干擾的主要元件，工作原理如下:

共模信號是指在兩輸入端輸入極性相同的信號。共模信號將導致電磁干擾。電磁干擾分爲輻射干擾和傳導干擾（進入電源線內）。信號傳輸不對稱和阻抗不匹配時差模信號轉換都將產生數字終端設備的共模信號。

CMC對差模信號無影響：

2、自耦合變壓器(Center Tapped Auto-Transformer)

自耦合變壓器對差模信號形成高阻抗，對共模信號基本上無影響，按照以上的接線方式接入線路中，可以有效地進行信號傳輸，繼而進一步減少及抑制了電磁干擾。

3、扼流圈工作原理及插入損耗特性（或稱阻抗特性）：

變壓器兩腳加上信號電壓(差模信號)時，經過磁路耦合作用在變壓器的次級端感應出感生電壓。對於信號電壓，由於CMC兩繞組同時流過的信號電流大小相等、方向相反，在CMC的鐵芯磁路中產生了方向相反的磁通，相互抵消，不影響差模信號傳輸。而此時變壓器Transformer兩繞組流過的則是大小相等，方向相同的電流，致使變壓器Transformer的作用相當於一個大的電阻，阻礙差模信號的通過，對載波信號的傳輸影響極少。所以差模信號被直接耦合加到負載上。而對共模信號來說，主要是通過變壓器的初、次級間的分佈電容耦合到次級，而此時CMC兩繞組流過的是大小相等、方向相同的電流，這時CMC相當於一個大的電阻，阻止共模電流的傳輸，而變壓器Transformer兩繞組則是流過大小相等、方向相反的電流，對共模信號相當於短路，這樣共模電壓基本上不會被傳送，而被耦合到負載上。從而既能使載波信號被很好的傳輸，又能抑制共模干擾信號。

以下產品爲帶共模EMC,帶自耦之網絡變壓器

4、網絡變壓器PCB設計

設計要點：

一、營造一個無噪音，電源穩定的環境

二、減少EMI、EMC對芯片的影響

三、簡單的信號佈線，減小走線長度

1、上圖中模塊A（電容、電阻）應當儘可能的靠PHY。模塊B應當儘可能靠近變壓器.(因爲當發送時RTL8201從模塊A吸收電流. 而當接收時,RTL8201將從模塊B採集差分信號電壓.

2、 RJ-45和變壓器的距離(L1) 應當儘可能的縮短.

3、 Rtset信號應當儘可能靠近PHY, 並且如果可能的話應當遠離TX+/-,RX+/-, 和時鐘信號

4、 晶體不應該放置在靠近I/O端口、電路板邊緣和其他的高頻設備、走線或磁性元件 周圍.5、晶體的外殼良好接地，以避免EMC/EMI帶來的外部噪音, 同樣晶體的隔離線 （retaining straps of the Crystal）也需要良好的接地.6、磁性元件或客產生磁場的元件應當被隔離並且彼此保持90度的方向 . 高電流的元 件應當靠近電源以減少走線。 高電流走線將產生更多的EMI問題 。

7、 終端電阻：如上所述的模塊A和B,模 塊A的電阻電容應當靠近PHY,兩個 接收終端電阻可以靠近變壓器。 爲了更好的阻抗匹配,這些電阻/電容對應當仔細選 擇 。

8、 PHY和 變壓器之間的距離 (L2)也應該儘可能的短。 爲了實際操作的方便，這一點經常被放棄。但是， 保持Tx±, Rx± 信號走線得對稱性是非常重要的 ， 而且 L2需要保持在一個合理的範圍內 ，最大約10~300px

設計實例：

A、網口變壓器沒有集成在連接器裏的網口電路PCB佈局、佈線規則

參考上圖，需要注意下面幾點：

1、變壓器與RJ45之間，PHY層芯片與變壓器之間的距離應控制在1inch 內。當佈局條件限制時，應優先保證變壓器與RJ45之間的距離在1 inch 內。

2、器件佈局按照信號流向放置，切勿繞來繞去。

3、變壓器下方的地平面要分割，分割線寬度不小於100MIL，網口變壓器放置在GND和PGND的分隔線上。

4、每對差分走線都要控制走線長度一致，同時注意控制阻抗爲50歐姆

5、注意PHY層芯片的的數字地和模擬地統一，數字電源和模擬電源使用磁珠進行隔離。同時要與變壓器配合。注意PHY芯片的電源濾波，按照芯片要求設計。

6、網口指示燈的電源線3.3V或者2.5V來自於電源平面，要對它們使用磁珠和電容進行退耦；指示燈驅動線要靠近PHY串連電阻，並在進入I/O區域之前進行電容濾波。這樣防止噪聲通過指示燈電源線耦合到差分線對區域。

7、指示燈電源線和驅動信號線要靠近走線，儘量減小環路面積。見圖左下腳。

8、指示燈線和差分線對要進行必要的隔離，兩者要保證距離足夠遠，如果必要使用GND平面進行隔離。

9、注意網口變壓器芯片側中心抽頭對地的濾波電容要儘量靠近變壓器管腳，保證引線最短分佈電感最小。

10、用於連接GND和PGND的0歐姆電阻或者電容要放置在地分割線上。

11、PHY芯片的模擬電源不要佔用大面積平面，從局部銅皮通過走線、磁珠、走線拉到變壓器芯片側中心抽頭上。

12、PHY芯片與變壓器之間已經沒有VDD，將PHY芯片與變壓器之間的平面層區域定義爲GND，這樣可以切斷來自VDD平面的噪聲途徑。實際處理見下圖。

13、沿單板PCB的邊緣（不用包住PGND，見圖8）每隔250mil打一個接地過孔，這些過孔排可以切斷單板噪聲向外輻射的途徑，減小對PGND靜地的影響。

14、單板的PGND、GND通過鏍孔和結構相連接，保證系統地電位的統一。

15、保證電源平面和地平面之間的良好退耦（低阻），電源平面最好和地平面相鄰。 16、和電源平面相鄰的信號線不要超出電源平面的投影區域。

17、要保證和電源平面相鄰的信號線的迴流路徑的完整性，否則就要改變平面的形狀，使得信號線處在平面層內，迴流路徑的不完整會帶來嚴重的EMC問題。

18、推薦把所有的高速信號線、I/O線、差分線對優先靠近地平面走線，如果無法實現才以電源平面作爲參考平面。

19、差分線要遠離其它信號線，放置其它信號線把噪聲耦合到差分線上。 20、爲了減小差分信號的噪聲，數字信號線或電源要遠離模擬信號線或電源。

21、電源的去耦和旁路是十分重要的，它們可以爲信號提供一個低阻抗通路，減小電源和地平面間的諧振。電容可以起到去耦和旁路的作用，但要保證退耦和旁路電容由電容、走線、過孔、焊盤組成的環路的面積儘量小，保證引線電感儘量小，見下圖所示：

從上圖可見，最右邊的情況有最小的環路面積。

從上圖可見，左邊的佈局中，電容要通過長線連接到平面上，存在很大的引線電感；而右邊的佈局中，退耦電容連線很短，保證了低引線電感的要求。

B、採用一體化連接器的網口電路PCB佈局、佈線規則

一體化連接器因爲體積小，性能好的優點，應用越來越廣泛。通過實際的應用，發現在一體化連接器可以有效降低網口的EMI。

從上圖可以看出，不同在於少了網口變壓器，其它大都相同。下面只針對不同點進行描述。

1、網口變壓器是隔離器件，用於切斷共模，因爲已經被集成在連接器裏，所以地平面不再進行分割處理。

2、 一體化連接器的外殼應該連接到連續的地平面上。不要在連接器下面創建機架地。 3、 單板周圍每隔250mil打接地過孔，將單板噪聲屏蔽在板內。

C、電源、地平面的佈局

儘管我們一直建議電源和地平面相鄰，但是一些對價格敏感的單板可能並不能做到。下面的建議可以一定程度上減小電源的阻抗。見下圖：

電源層power2並沒有與地平面相鄰，對地阻抗可能較大，如果退耦不合理就會帶來EMC問題。而且，如果POWER2層被同時分成多個電壓區域，跨這些區域的信號線就會因爲迴流路徑不連續產生較大的環路面積，從而導致出現EMC問題。

如果我們在inner4層和bottom層進行地填充，就可以一定程度的降低電源的阻抗，爲信號線創造低阻抗通路。

D、差分線對佈局、佈線要求

差分線對以差分形式存在，具有很強的共模抑制能力，但是如果佈局佈線不當，差模就可以轉化爲共模，帶來共模噪聲。因此對差分線的處理要注意：

2、 差分線對間的距離要保持一致，大約等於線寬。 3、 差分線的特徵阻抗要控制在100歐姆±10％。 4、建議在內層走線，並儘量和地平面相鄰。

5、 保持差分線對的對稱，任何不對稱都會造成差模向共模的轉變。

E、差分信號終端電阻、濾波電容的佈局、佈線

49.9歐姆的終端電阻（有的PHY可能沒有）必須靠近PHY芯片的TX和RX管腳放置，兩個終端電阻的中間必須和地以儘可能短的連線相連。如下圖所示：

如上圖所示：右側的兩個4.7PF電容對於高頻噪聲具有良好的抑制能力，但是隻有保證了電容引線的低電感，才能起到應由的作用。兩個濾波電容必須良好對稱，保證平衡，否則差模可能轉成共模，帶來共模噪聲。使用中還要注意，電容的取值不能太大，太大的電容會影響信號的質量甚至功能。

另外，這兩個4～7PF的電容可以通過平面來產生，大家知道，平面電容的分佈電感是十分低的，在與地平面相鄰的信號層無走線區域打一塊補丁，就可以產生一個高性能電容。見下圖：

F、選擇高共模抑制能力的變壓器

變壓器的共模抑制能力可以降低差模向共模的轉變，但是在變壓器的datasheet裏一般並不會列出EMC測試範圍內的共模抑制性能。這樣給變壓器的選擇帶來困難。

1、選擇在線路側有共模呃流圈的變壓器。

2、 使用支持自協商的變壓器可能會降低共模抑制能力，這種變壓器的收、發對稱，而且收、發線圈的中心抽頭連接在一起。

變壓器線路側的共模電阻和高壓電容

變壓器線路側的75歐姆電阻和高壓電容爲UTP電纜提供了共模通路，在佈局、佈線時注意：

1、 把這些共模電阻靠近變壓器中心抽頭放置。

2、 電阻和電容的連接要使用短而粗的走線（10～15mil）。按照變壓器結構的不同，主要可以分爲下面兩種情況：

對於上圖1的情況，推薦電阻的值取75歐姆，但這樣做的前提是保證機架地是靜地。對於下圖2的情況，推薦電阻的值取0歐姆。

G、改變差分線號的傳輸波形

某些PHY芯片可以通過設置特定管腳內部的寄存器改變信號的上升、下降沿。一定程度的減緩信號的上升沿（或下降沿）可以一定長度的減少EMI。