Ethernet_Transformer網(wǎng)絡(luò)變壓器的作用

1、網(wǎng)絡(luò)變壓器作用、原理及主要參數(shù)前言圖1所示的網(wǎng)絡(luò)變壓器（Ethernet Transformer，也稱數(shù)據(jù)汞/網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器）模塊是網(wǎng)卡電路中不可或缺的部分，它主要包含中間抽頭電容、變壓器、自耦變壓器、共模電感。該變壓器一般都安裝在網(wǎng)卡的輸入端附近。工作時(shí)，由收發(fā)器送出的上行數(shù)據(jù)信號(hào)從絡(luò)變壓器的Pin16-Pin15進(jìn)入，由Pin10-Pin11輸出，經(jīng)RJ45型轉(zhuǎn)接頭，再通過非屏蔽雙絞線送往服務(wù)器；服務(wù)器送來的下行數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)另一對(duì)非屏蔽雙絞線和RJ45型轉(zhuǎn)接頭，由Pin7-Pin6進(jìn)入，由Pin1-Pin2輸出，然后送到網(wǎng)卡的收發(fā)器上。本文將主要分析網(wǎng)絡(luò)變壓器的原理、主要參數(shù)及實(shí)現(xiàn)的功能。圖

2、1：網(wǎng)絡(luò)變壓器電路圖功能Ethernet Transformer主要實(shí)現(xiàn)以下三個(gè)功能：1.滿足IEEE 802.3電氣隔離要求2.無失真?zhèn)鬏斠蕴W(wǎng)信號(hào)3.輻射發(fā)射的抑制電氣隔離任何CMOS制程的芯片工作的時(shí)候產(chǎn)生的信號(hào)電平總是大于0V的（取決于芯片的制程和設(shè)計(jì)需求），PHY輸出信號(hào)送到100米甚至更長(zhǎng)的地方會(huì)有很大的直流分量的損失。而且如果外部網(wǎng)線直接和芯片相連的話，電磁感應(yīng)（打雷）和靜電，很容易造成芯片的損壞。 再就是設(shè)備接地方法不同，電網(wǎng)環(huán)境不同會(huì)導(dǎo)致雙方的0V電平不一致，這樣信號(hào)從A傳到B，由于A設(shè)備的0V電平和B點(diǎn)的0V電平不一樣，這樣可能會(huì)導(dǎo)致很大的電流從電勢(shì)高的設(shè)備流向電勢(shì)低的設(shè)備

3、。 網(wǎng)絡(luò)變壓器把PHY送出來的差分信號(hào)用差模耦合的線圈耦合濾波以增強(qiáng)信號(hào)，并且通過電磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)換耦合到連接網(wǎng)線的另外一端。這樣不但使網(wǎng)線和PHY之間沒有物理上的連接而換傳遞了信號(hào)，隔斷了信號(hào)中的直流分量，還可以在不同0V電平的設(shè)備中傳送數(shù)據(jù)。 網(wǎng)絡(luò)變壓器本身就是設(shè)計(jì)為耐2KV3KV的電壓的。也起到了防雷保護(hù)作用。有些朋友的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在雷雨天氣時(shí)容易被燒壞，大都是PCB設(shè)計(jì)不合理造成的，而且大都燒毀了設(shè)備的接口，很少有芯片被燒毀的，就是變壓器起到了保護(hù)作用。隔離變壓器可滿足IEEE802.3的絕緣要求，但不能抑制EMI。共模抑制在雙絞線中的每一根導(dǎo)線是以雙螺旋形結(jié)構(gòu)相互纏繞著。流過每根導(dǎo)線的電流所產(chǎn)

4、生的磁場(chǎng)受螺旋形的制約。流過雙絞線中每一根導(dǎo)線的電流方向,決定每對(duì)導(dǎo)線發(fā)射噪音的程度。在每對(duì)導(dǎo)線上流過差模和共模電流所引起的發(fā)射程度是不同的,差模電流引起的噪音發(fā)射是較小的,所以噪音主要是由共模電流決定。1. 雙絞線中的差模信號(hào)對(duì)差模信號(hào)而言,它在每一根導(dǎo)線上的電流是以相反方向在一對(duì)導(dǎo)線上傳送。如果這一對(duì)導(dǎo)線是均勻的纏繞,這些相反的電流就會(huì)產(chǎn)生大小相等,反向極化的磁場(chǎng),使它的輸出互相抵消。在無屏蔽雙絞線系統(tǒng)中的差模信號(hào)如圖2所示圖2：無屏蔽雙絞線中的差模信號(hào)在無屏蔽雙絞線中,不含噪音的差模信號(hào)不產(chǎn)生射頻干擾。 2. 雙絞線中的共模信號(hào)共模電流在兩根導(dǎo)線上以相同方向流動(dòng),并經(jīng)過寄生電容Cp到地返

5、回。在這種情況下,電流產(chǎn)生大小相等極性相同的磁場(chǎng),它們的輸出不能相互抵消。如圖6所示,共模電流在對(duì)絞線的表面產(chǎn)生一個(gè)電磁場(chǎng),它的作用正如天線一樣。圖3：無屏蔽雙絞線中的共模信號(hào)在無屏蔽對(duì)絞線中,共模信號(hào)產(chǎn)生射頻干擾。 3. 共模、差模噪音及其EMC電纜上噪音有從電源電纜和信號(hào)電纜上產(chǎn)生的輻射噪音和傳導(dǎo)噪音兩大類。這兩大類中又分為共模噪音和差模噪音兩種。差模傳導(dǎo)噪音是電子設(shè)備內(nèi)部噪音電壓產(chǎn)生的與信號(hào)電流或電源電流相同路徑的噪音電流,如圖4所示。減小這種噪音的方法是在信號(hào)線和電源線上串聯(lián)差模扼流圈、并聯(lián)電容或用電容和電感組成低通濾波器,來減小高頻的噪音,如圖5所示。圖4：差模噪聲圖5：差模噪聲的抑

6、制 差模輻射噪音是圖4電纜中的信號(hào)電流環(huán)路所產(chǎn)生的輻射。這種噪音產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度與電纜到觀測(cè)點(diǎn)的距離成反比,與頻率的平方成正比,與電流和電流環(huán)路的面積成正比。因此,減小這種輻射的方法是在信號(hào)輸入端加LC低通濾波器阻止噪音電流流進(jìn)電纜;使用屏蔽電纜或扁平電纜,在相鄰的導(dǎo)線中傳輸回流電流和信號(hào)電流,使環(huán)路面積減小。共模傳導(dǎo)噪音是在設(shè)備內(nèi)噪音電壓的驅(qū)動(dòng)下,經(jīng)過大地與設(shè)備之間的寄生電容,在大地與電纜之間流動(dòng)的噪音電流產(chǎn)生的,如圖6所示。圖6：共模噪聲減小共模傳導(dǎo)噪音的方法是在信號(hào)線或電源線中串聯(lián)共模扼流圈、在地與導(dǎo)線之間并聯(lián)電容器、組成LC濾波器進(jìn)行濾波,濾去共模傳導(dǎo)噪聲。其電路如圖7所示。圖7：共模噪

7、聲的抑制共模扼流圈是將信號(hào)線與地線同方向繞在鐵氧體磁芯上構(gòu)成的,它對(duì)線間流動(dòng)的差模信號(hào)電流和電源電流阻抗很小,而對(duì)兩根導(dǎo)線與地之間流過的共模電流阻抗則很大。共模輻射噪音是由于電纜端口上有共模電壓,在其驅(qū)動(dòng)下,從大地到電纜之間有共模電流流動(dòng)而產(chǎn)生的。輻射的電場(chǎng)強(qiáng)度與電纜到觀測(cè)點(diǎn)的距離成反比,（當(dāng)電纜長(zhǎng)度比電流的波長(zhǎng)短時(shí)）與頻率和電纜的長(zhǎng)度成正比。減小這種輻射的方法有：通過在線路板上使用地線面來降低地線阻抗,在電纜的端口處使用LC低通濾波器或共模扼流圈。另外,盡量縮短電纜的長(zhǎng)度和使用屏蔽電纜也能減小輻射。網(wǎng)絡(luò)變壓器中集成的共模電感可有效抑制共模電流引起的EMI問題，但需要特別注意共模電感的位置，如

8、果放在芯片側(cè)，則不適合于電流驅(qū)動(dòng)型的芯片，如圖8所示，當(dāng)電流流經(jīng)共模電感的方向相同時(shí)，共模電感磁芯中并沒有磁力線相互抵消，此時(shí)共模電感的阻抗阻礙電流的變化，進(jìn)而影響到正常工作的信號(hào)。圖8：兩線共模電感用于電流驅(qū)動(dòng)型的芯片如果放在電纜側(cè)，為保證Bob Smith電路的匹配作用，需要再增加一個(gè)自耦變壓器，如圖9。圖9：自耦變壓器的作用圖10：MNC2401GS網(wǎng)絡(luò)變壓器（V211使用）以上方案需要多增加一個(gè)磁芯，所以目前應(yīng)用更多的是使用三線共模電感，如圖11。此種方案既可以適用于電流驅(qū)動(dòng)型的芯片，而且只需要兩個(gè)磁芯，減少了成本。圖11：三線共模電感的應(yīng)用圖11所示的方案還有一個(gè)好處，就是對(duì)于地上的

9、共模噪聲有很好的抑制作用，如圖12，當(dāng)?shù)卦肼暿枪材Ｔ磿r(shí)，電流同向經(jīng)過3個(gè)線圈，共模阻抗較大，起到抑制共模噪聲的作用。圖12：三線共模電感抑制地噪聲變壓器與噪音傳導(dǎo)理想變壓器理論上是完美的電路元件,它能用完美的磁耦合在初級(jí)和次級(jí)繞組之間傳送電能。理想變壓器只能傳送交變的差模電流。它不能傳送共模電流,因?yàn)楣材ｋ娏髟谧儔浩骼@組兩端的電位差為零,不能在變壓器繞組上產(chǎn)生磁場(chǎng)。實(shí)際變壓器初級(jí)和次級(jí)繞組之間有一個(gè)很小但不等于零的耦合電容CWW,見圖13。圖13：變壓器初級(jí)和次級(jí)之間的耦合電容這個(gè)電容是繞組之間存在非電介質(zhì)和物理間隙所產(chǎn)生的。增加繞組之間的空隙和用低介電常數(shù)的材料填滿繞組之間的空間就能減小繞組

10、之間電容的數(shù)值。電容Cww為共模電流提供一條穿過變壓器的通道,其阻抗是由電容量的大小和信號(hào)頻率來決定的。中間抽頭（Center Tap）中間抽頭主要有兩個(gè)作用：1. 為共模電流提供低阻抗路徑，降低共模電流/電壓（同Choke作用）2. 為Transceiver中Rx/Tx信號(hào)提供直流偏置所以對(duì)于不同的問題頻率點(diǎn)，我們可以選擇不同的電容值以提供低阻抗返回路徑。對(duì)于不同芯片和不同PCB，此容值選擇多少可以達(dá)到效果，需實(shí)際嘗試，但有一點(diǎn)可以確定，此電容對(duì)網(wǎng)口輻射發(fā)射有著很大影響。Bob Smith電路此電路有兩種功能：提供網(wǎng)口任意兩隊(duì)差分信號(hào)間150ohm的阻抗匹配；可以對(duì)共模信號(hào)提供一個(gè)回流路徑。

11、考慮到第一種功能，我們就可以清楚看到為什么共模電感放在電纜側(cè)時(shí)不能滿足Bob smith電路的匹配要求，如圖14所示：圖14：共模電感位于電纜側(cè)時(shí)的電路此時(shí)匹配電阻不是150ohm，而變成Z=2×75+2×Zcmc，不能滿足其阻抗匹配要求，所以兩線共模電感不能放在電纜側(cè)，如果放在電纜側(cè)，則需要額外增加一個(gè)自耦變壓器?？紤]第二種功能，它所能提供的阻抗：要想在較寬頻率范圍內(nèi)獲得低阻抗，需要控制連線阻抗，保證Bobsmith電路的低阻抗連接。針對(duì)不同的問題頻率點(diǎn)還可以適當(dāng)?shù)蛘娐分须娙莸娜葜怠Ｆ渥饔门c中心抽頭電容類似，但因?yàn)槠渎窂缴嫌?5ohm的串聯(lián)電阻，并且此電容為高壓電容，容

12、值很難選得很大，所以其對(duì)網(wǎng)口輻射發(fā)射的影響并沒有中心抽頭那么明顯，但也是我們可以調(diào)整解決網(wǎng)口問題的一個(gè)方面。主要參數(shù)圖15是變壓器等效電路圖，圖16為MNC H1606DG產(chǎn)品的主要參數(shù)表，其中涉及的主要參數(shù)有圖15：變壓器等效電路1. 開路電感（OCL）：Open Circuit Inductance，圖15中的2. 漏電感：Leakage Inductance，圖15中的L L1、L L2，與變壓器耦合系數(shù)有關(guān)，（取決于繞線技術(shù)和磁芯）3. 互繞電容：Interwinding Capacitance，圖15中C12是也。小的話對(duì)于變壓器信號(hào)沒有影響，過大則為共模電流提供低阻抗路徑，由此會(huì)產(chǎn)

13、生不利效果4. 直流阻抗：DC Resistance圖15中RL1、RL25. 變壓器變壓比：Turn Ratio，初級(jí)和次級(jí)線圈匝數(shù)比6. 插入損耗dB：Insertion Loss=20Xlog(V1/V2)，其中V1為插入變壓器后輸出端的電平，V2是未插變壓器時(shí)輸出端電平。此參量用以衡量插入變壓器后對(duì)傳輸信號(hào)的影響，越小越好。一般指網(wǎng)絡(luò)變壓器對(duì)信號(hào)衰減程度與信號(hào)頻率之間的關(guān)系曲線7. 回波損耗dB：Return Loss，衡量插入網(wǎng)絡(luò)變壓器后系統(tǒng)阻抗失配程度與信號(hào)頻率之間的關(guān)系曲線Return Loss=20Xlog(Vr/Vi)，其中Vr為反射信號(hào)幅度，Vi為入射信號(hào)幅度8. 交越干擾

14、dB：Cross Talk，兩個(gè)單元電路中的一個(gè)單元電路中的信號(hào)V1與感應(yīng)到另一個(gè)單元電路中的信號(hào)V2之比值Cross Talk =20Xlog(V2/V1)9. 共模抑制比dB：CMRR=20Xlog(Vout/Vin)，網(wǎng)絡(luò)變壓器輸入端的共模干擾信號(hào)幅度Vin與輸出端的共模干擾信號(hào)幅度Vout之比值10. 隔離電平：Isolation HOT-POT，電氣隔離電平圖16：MNC H1606DG參數(shù)表TBD關(guān)于中間抽頭的接法問題（有的接地、有的接電源，電平值也有可能不一樣），網(wǎng)上有以下一段Q&A：Q：在以太網(wǎng)設(shè)備中，通過PHY接RJ45時(shí)，中間都會(huì)加一個(gè)網(wǎng)絡(luò)變壓器。有的變壓器中心抽頭

15、接電源，有的又接電容到地。而且接電源時(shí)，電源值又可以不一樣，3.3V，2.5V，1.8V都有。這個(gè)變壓器的作用到底是什么呢？A：下面是一個(gè)大概的解答：1、中間抽頭為什么有些接電源？有些接地？這個(gè)主要是與使用的PHY芯片UTP口驅(qū)動(dòng)類型決定的，這種驅(qū)動(dòng)類型有兩種，電壓驅(qū)動(dòng)和電流驅(qū)動(dòng)。電壓驅(qū)動(dòng)的就要接電源；電流驅(qū)動(dòng)的就直接接個(gè)電容到地即可！所以對(duì)于不同的芯片，中心抽頭的接法，與PHY是有密切關(guān)系的，具體還要參看芯片的datasheet和參考設(shè)計(jì)了。2、為什么接電源時(shí)，又接不同的電壓呢？這個(gè)也是所使用的PHY芯片資料里規(guī)定的UTP端口電平?jīng)Q定的。決定的什么電平，就得接相應(yīng)的電壓了。即如果是2.5v的就上拉到2.5v，如果是3.3v的就上拉到3.3v。3.這個(gè)變壓器到底是什么作用呢，可不可以不接呢。從理論上來說，是可以不需要接變壓器，直接接到RJ45上，也是能正常工作的。但是呢，傳輸距離就很受限制，而且當(dāng)接到不同電平網(wǎng)口時(shí)，也