網(wǎng)口變壓器簡(jiǎn)介ppt課件

1、網(wǎng)口變壓器n簡(jiǎn)介n差模傳輸特性功能性特性n共模傳輸特性EMI抑制特性簡(jiǎn)介n以太網(wǎng)設(shè)備在收發(fā)器和網(wǎng)線間運(yùn)用變壓器，其包含中心抽頭變壓器，自耦變壓器，共模電感。最新的以太網(wǎng)設(shè)備經(jīng)過(guò)變壓器提供48V電源，采用集成銜接器，運(yùn)用越來(lái)越廣泛。這些器件的特性對(duì)于EMI的抑制很關(guān)鍵。n不能夠經(jīng)過(guò)變壓器的data sheet判別變壓器的特性?？梢赃\(yùn)用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試，但要留意系統(tǒng)性能是不同的，假設(shè)不了解系統(tǒng)的特性，不能完全判別變壓器的特性。并且測(cè)試方法也沒(méi)有一定的規(guī)范。n本文解釋那些影響以太網(wǎng)變壓器EMI性能的主要參數(shù)，在通常配置下，需求一個(gè)bench-level測(cè)試方法來(lái)測(cè)試變壓器特性。簡(jiǎn)介以太網(wǎng)變壓器的功能：

2、滿足IEEE 802.3中電氣隔離的要求不失真的傳輸以太網(wǎng)信號(hào)EMI抑制：EMI特性直接與CM特性相關(guān)；相關(guān)信息不會(huì)出如今data sheet中；構(gòu)造中寄生參數(shù)有明顯的影響；手工繞線影響共模性能的一致性；封裝中的布線很重要；封裝尺寸及HV的要求限制了一些能夠的選擇；價(jià)錢(qián)方面的思索。簡(jiǎn)介變壓器的構(gòu)成：脈沖隔離變壓器共模電感自耦變壓器電容電阻封裝/構(gòu)造集成變壓器中的銜接器管腳和走線簡(jiǎn)介n典型的以太網(wǎng)口電路差模傳輸特性差模傳輸特性n主要思索差模參數(shù)。頻率范圍思索從1MHz到100MHzCAT5E和250MHzCAT6n需求一些理想的假設(shè)簡(jiǎn)化初始的分析：n假設(shè)磁導(dǎo)率足夠大可以為是無(wú)窮大n磁芯的此話足夠

3、小可以為是0n忽略磁芯損耗n忽略繞線電阻n一切磁力線都在繞線內(nèi)即沒(méi)有漏磁n忽略繞線間的電容差模傳輸特性n法拉第定律，閉合環(huán)路的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與磁力線隨時(shí)間的變化率成比例。n理想變壓器電壓，電流和變比之間的關(guān)系差模傳輸特性n環(huán)形磁芯上的自感和互感R2 差模傳輸特性n變壓器的線路符號(hào)n阻抗的轉(zhuǎn)換差模傳輸特性n磁芯的磁化和飽和非理想?yún)?shù)n有限的磁導(dǎo)率非理想?yún)?shù)n磁芯損耗：磁滯景象和渦旋電流損耗可以用圖中與線圈并聯(lián)的電阻RCL表示。降低磁芯損耗可以經(jīng)過(guò)采用高電阻系數(shù)資料如鐵氧體資料和采用薄板磁芯阻止渦旋電流的流動(dòng)。非理想?yún)?shù)n繞線電阻n漏磁：磁力線不能在兩個(gè)線圈中完全耦合，可以用一個(gè)耦合系數(shù)k來(lái)描畫(huà)，0k

4、1。漏磁和繞線技術(shù)和磁芯外形有關(guān)。非理想?yún)?shù)n分布電容：繞線和磁芯之間的耦合，相鄰繞線間的耦合n線圈間電容：初級(jí)和次級(jí)線圈間的電容，容值足夠小，對(duì)于正常差模信號(hào)沒(méi)有影響，對(duì)于無(wú)意的共模信號(hào)有足夠低的阻抗，會(huì)明顯影響EMI相關(guān)特性。非理想?yún)?shù)n變壓器等效電路頻率呼應(yīng)n降低磁化和泄露電感和分布電容可以添加頻率范圍n降低磁芯損耗和繞線電阻可以降低插入損耗頻率呼應(yīng)n脈沖上升的時(shí)域呼應(yīng)如右圖n并聯(lián)的磁化電感LM對(duì)于上升沿有很大的阻抗，可以忽略n呼應(yīng)曲線是指數(shù)阻尼振蕩下降n振蕩幅值和阻尼系數(shù)決議于LL，CD，R2。假設(shè)源阻抗可以忽略頻率呼應(yīng)n脈沖峰值的呼應(yīng)曲線如右圖n呼應(yīng)主要決議于磁化電感和負(fù)載阻抗R2n

5、漏感遠(yuǎn)小于磁化電感，可以忽略n分布電容可以忽略，由于電流不經(jīng)過(guò)此電容n負(fù)載電壓隨時(shí)間指數(shù)降低頻率呼應(yīng)n漏感遠(yuǎn)小于磁化電感，可以忽略n呼應(yīng)曲線是指數(shù)阻尼振蕩下降n振蕩幅值和阻尼系數(shù)決議于磁化電感，分布電容和負(fù)載阻抗。頻率呼應(yīng)共模傳輸特性理想中心抽頭變壓器理想中心抽頭的變壓器，一切的共模電流經(jīng)過(guò)中心抽頭前往到源。中心抽頭作用：經(jīng)過(guò)提供差分線上共模噪聲的低阻抗回流途徑，降低線纜上共模電流和共模電壓。對(duì)于某些收發(fā)器提供一個(gè)直流偏置電壓或功率源非理想中心抽頭變壓如圖，LCT，L，C12降低了共模衰減。L產(chǎn)生了差模共模轉(zhuǎn)換由于LCT + L0，所以中心抽頭上存在共模電壓。共模電壓在線纜上驅(qū)動(dòng)共模電流，產(chǎn)生

6、輻射。共模電感n對(duì)有意差分信號(hào)的傳輸，以及對(duì)無(wú)意共模信號(hào)的抑制，如圖n共模電感的符號(hào)和模型。分布電容CCMC降低高頻共模電感的阻抗。有損鐵氧體軟鐵氧體由于能量耗散是有益處的。ZCMC是電阻性而非電抗性。LCMC和RCMC的高阻抗和CCMC是相互制約的兩個(gè)參數(shù)。變壓器參數(shù)總結(jié)n主要功能性差分參數(shù)：變比；磁化電感開(kāi)路電感；插入損耗；回返損耗與一切差分參數(shù)有關(guān)n影響差分參數(shù)的寄生參數(shù)：漏感；分布電容和初次級(jí)線圈間電容n影響共模噪聲抑制的參數(shù)：中心抽頭平衡度；中心抽頭和參考面之間串聯(lián)阻抗不平衡+中心抽頭電感+中心抽頭電容；初次級(jí)線圈間電容；共模電感阻抗。變壓器共模特性n共模抑制效能是各器件特性，寄生參

7、數(shù)及相互影響的綜合結(jié)果n不能僅經(jīng)過(guò)data sheet中的電路圖來(lái)判別抑制效能，如今的data sheet對(duì)判別EMI抑制性能只需很少的作用nEMI性能的測(cè)試并不容易，需求特定的測(cè)試環(huán)境及測(cè)試夾具。n與其它濾波器一樣，源和負(fù)載的共模阻抗及參考面的阻抗對(duì)變壓器的共模抑制都很關(guān)鍵。以太網(wǎng)線的傳輸方式n了解以太網(wǎng)線的傳輸方式是了解變壓器EMI抑制功能的關(guān)鍵。n典型的UTP非屏蔽網(wǎng)線和傳導(dǎo)的環(huán)境如傳導(dǎo)的GND是一個(gè)多9導(dǎo)體的傳輸線。有意和無(wú)意信號(hào)同時(shí)傳輸。有意信號(hào)是信號(hào)對(duì)兩線間的差模信號(hào)。無(wú)意信號(hào)包括：信號(hào)對(duì)之間的共模/差模混合信號(hào)。信號(hào)與環(huán)境間的共模信號(hào)以太網(wǎng)線的傳輸方式n傳輸方式的圖示各傳輸方式和

8、EMI間的關(guān)系n信號(hào)對(duì)兩線間的差模信號(hào)：相反的電流相互抵消，電場(chǎng)抵消，低EMI問(wèn)題。n信號(hào)對(duì)之間的共模/差?；旌闲盘?hào)：與真正的共模信號(hào)不同，它的傳輸也在線纜內(nèi)部，所以也不是影響EMI的主要信號(hào)。n信號(hào)與環(huán)境間的共模信號(hào)主要的EMI源：傳輸發(fā)生在線纜和周圍環(huán)境間，最容易引起EMI問(wèn)題。所以變壓器主要的EMI抑制功能就是減少這部分的噪聲。差分方式n不是EMI直接的緣由n也是輻射的源，經(jīng)過(guò)一些轉(zhuǎn)換機(jī)制，將一部分差模信號(hào)轉(zhuǎn)換成共模信號(hào)n堅(jiān)持信號(hào)線的平衡，對(duì)稱，阻抗匹配以及合理端接是非常重要的。例如，只需幾pF的不平衡就會(huì)引起很明顯的差模共模轉(zhuǎn)換，添加串?dāng)_和EMI問(wèn)題?；旌喜钅?共模方式n采用75ohm

9、端接電阻，如圖。n此電阻提供差分線對(duì)之間150ohm的端接，主要用于混合方式信號(hào)的阻抗匹配。高壓電容CHV將線纜終端銜接到GND改善EMI。由于有電阻，接線電感以及其它的限制，這并不是一個(gè)接地的低阻抗途徑。共模信號(hào)是引起EMI的最直接緣由，產(chǎn)生的緣由包括：不平衡阻抗，幅值，時(shí)間，dv/dt串?dāng)_非理參考面地彈，參考面與機(jī)殼間的射頻電壓75ohm端接的共模阻抗n對(duì)于EMI的改善，最好在線纜的終端經(jīng)過(guò)一個(gè)低阻抗直接銜接到機(jī)殼上。n75ohm端接對(duì)于共模信號(hào)能否是一個(gè)低阻抗？n75ohm端接對(duì)于阻抗匹配更好還是對(duì)于共模抑制更好？普通變壓器的配置n兩線共模電感位于PHY側(cè)：這種配置不適于電流驅(qū)動(dòng)型的收發(fā)

10、器，這種類型的收發(fā)器TX輸出功率是由中心抽頭處銜接的電源提供的，后邊詳細(xì)引見(jiàn)。n需求留意GND0V一對(duì)線的共模方式簡(jiǎn)化圖共模方式的參數(shù)nZCMC：共模電感的阻抗，經(jīng)過(guò)對(duì)共模電流提供高阻抗抑制EMI，設(shè)計(jì)目的是獲得最大的LCMC和RCMC。nCCMC：共模電感的分布電容，減弱共模電感的高頻性能。可以經(jīng)過(guò)減小線圈間的重合減小此電容容值，特別是整個(gè)線圈兩端之間的間隔。接近傳導(dǎo)的構(gòu)造也會(huì)明顯影響這個(gè)電容的容值。共模方式的參數(shù)n典型的共模電感阻抗是磁芯資料， 外形，繞線圈數(shù)和CCMC的函數(shù)。為了在特定頻率范圍獲得高的阻抗，在其它頻段普通會(huì)有低的阻抗。n共模阻抗會(huì)隨著磁飽和而降低，這在以下兩種情況中特別重

11、要：n一是有POE功能時(shí)，直流電流會(huì)使n磁芯飽和n二是暴露的UTP耦合到強(qiáng)電壓和電n流，如暴露在高強(qiáng)度的EMI下。共模方式的參數(shù)n不平衡的中心抽頭PHY側(cè)：用L1來(lái)描畫(huà)線圈兩邊的不平衡。對(duì)于理想變壓器，中心抽頭在線圈的中間， L1 =0.n中心抽頭不平衡產(chǎn)生的兩個(gè)影響：n一是L1隨著頻率添加阻抗添加， 限制了經(jīng)過(guò)中心抽頭減小共n模電流的作用n二是對(duì)于差分信號(hào)差生不平衡的影響，引起差模-共模以及共n模-差模轉(zhuǎn)換。這會(huì)添加輻射和敏感度。共模方式的參數(shù)n中心抽頭銜接電感L1，添加中心抽頭銜接阻抗，主要決議于布線的情況。不會(huì)在中心抽頭處產(chǎn)生信號(hào)間轉(zhuǎn)換，但明顯降低了100MHz以上的共模抑制性能。n此電

12、感典型值是10nH共模方式的參數(shù)n中心抽頭電容容值：假設(shè)容值用0.1uF，與10nH串聯(lián)電感在5MHz發(fā)生諧振。在諧振頻率以上，中心抽頭銜接的阻抗主要表達(dá)為感性。運(yùn)用不同的中心抽頭電容可以獲得不同的諧振頻率，但最好保證感值L最小。共模方式的參數(shù)n初次級(jí)線圈間電容，為了消弱變壓器的共模傳輸性能，應(yīng)該盡能夠減小此電容容值。但不幸的是，在EMC所關(guān)懷的頻率范圍內(nèi)，很難保證此容值足夠小而提供有效地共模抑制。n線纜側(cè)中心抽頭電容的不平衡，與之前L1類似，也有差模轉(zhuǎn)共模和添加阻抗的影響。共模方式的參數(shù)n線纜側(cè)中心抽頭銜接電感LC2：中心抽頭銜接到RCM和高壓電容處連線的寄生電感用LC2替代。但很難保證LC

13、2的低阻抗共模方式的參數(shù)n高壓電容：四個(gè)端接電阻共用一個(gè)高壓電容，高耐壓的需求限制了固定封裝下容值的可選范圍，典型運(yùn)用的電容是1nF/2000V的陶瓷電容。n差模/共模端接電阻：75ohm的端接電阻是混合差模/共模信號(hào)的端接，它也添加了線纜側(cè)中心抽頭銜接處的阻抗。共模方式的參數(shù)2線共模電感在PHY側(cè)變壓器方式的總結(jié)：這種配置對(duì)于PHY產(chǎn)生的低頻共模噪聲有很好的抑制造用共模電感和中心抽頭電容一同提供了有效的低頻濾波在寄生參數(shù)CCMC，L1以及LC1的阻抗明顯增大的頻率下，EMI抑制效能明顯降低。正確認(rèn)識(shí)所謂的共模端接n關(guān)注線纜側(cè)中心抽頭銜接以及所謂的共模端接。n在典型的以太網(wǎng)運(yùn)用中，并沒(méi)有明顯的

14、差模/共?；旌蟼鬏敺绞降男盘?hào)鼓勵(lì)源。n對(duì)這種方式信號(hào)進(jìn)展端接能夠會(huì)影響EMI，但這種傳輸方式并不是EMI的主要源。n所謂的共模端接并沒(méi)有端接真正的共模信號(hào)。n此端接的效能主要決議于系統(tǒng)設(shè)計(jì)，不能簡(jiǎn)單的以為此端接會(huì)提升EMI性能還是降低EMI性能。需求思索如下兩點(diǎn)：一是本錢(qián)和益處；二是有能夠?yàn)楣材Ｔ肼曁峁┮粋€(gè)繞過(guò)共模電感的途徑。正確認(rèn)識(shí)所謂的共模端接n高壓電容銜接到噪聲源點(diǎn)會(huì)添加線纜的共模電流和輻射，如圖。參考平面假設(shè)不是理想的0V，高頻的共模電流會(huì)繞過(guò)共模電感流到外部線纜上，引起輻射。電流驅(qū)動(dòng)型PHYn為什么2線共模電感不能放置于于電流驅(qū)動(dòng)形PHY的PHY側(cè)。如圖，當(dāng)有意信號(hào)的瞬時(shí)電流走在其中

15、一個(gè)線圈或者在兩個(gè)線圈中電流方向一樣的時(shí)候，在磁芯中沒(méi)有磁力線抵消，此電感會(huì)對(duì)這個(gè)有意信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)高阻抗，從而影響有意信號(hào)。電流驅(qū)動(dòng)型PHYn對(duì)于電流驅(qū)動(dòng)型PHY，共模電感要放于線纜側(cè)，如以下圖的運(yùn)用。自耦變壓器用于混合方式的端接。自耦變壓器n有自耦變壓器的共模方式自耦變壓器自耦變壓器的影響有能夠添加共模抑制，提供平衡線圈和到參考面的低阻抗銜接添加寄生參數(shù)漏感和寄生電容添加封裝和本錢(qián)2線共模電感位于線纜側(cè)n由于共模電感的存在，此時(shí)差模/共模混合傳輸方式端接不是150ohm，所以75ohm端接達(dá)不到該有的作用，此時(shí)需求選擇不同的端接電阻阻止或者不運(yùn)用此75ohm端接。2線共模電感位于線纜側(cè)2線共

16、模電感位于線纜側(cè)的總結(jié)節(jié)約本錢(qián)能夠提高共模性能不適宜用于POE的情況由于磁飽和對(duì)于高等級(jí)的EMI干擾，由于共模電感的磁飽和能夠出現(xiàn)問(wèn)題。3線共模電感位于PHY側(cè)n這種配置如左圖，適用于電流驅(qū)動(dòng)型PHY，中心抽頭供電的電流與信號(hào)線圈上的電流相互抵消，減小共模電感的阻抗，保證任務(wù)信號(hào)的正常。如右圖3線共模電感位于PHY側(cè)n這種3線共模電感的構(gòu)造對(duì)于差分線上共模噪聲同樣會(huì)有低阻抗，如圖3線共模電感位于PHY側(cè)n對(duì)于GND上的共模噪聲有很好的抑制造用。假設(shè)PHY本身噪聲不大，并且共模噪聲不僅在差分線上，中心抽頭有同樣的共模噪聲，此3線共模電感就會(huì)有很好的抑制造用。3線共模電感位于PHY側(cè)3線共模電感總

17、結(jié)低本錢(qián)，僅有2個(gè)線圈支持電流驅(qū)動(dòng)型芯片對(duì)于只存在于差分線上的共模抑制效果差對(duì)于PCB參考上的共模噪聲效果好集成銜接器n集成銜接器模組ICM，包含一切變壓器器件被廣泛運(yùn)用，并且是不斷添加的趨勢(shì)。n能夠在價(jià)錢(qián)和PCB本錢(qián)上有優(yōu)勢(shì)，但在空間限制和設(shè)計(jì)靈敏性方面有挑戰(zhàn)。nEMI性能不知決議于內(nèi)部的器件，與ICM的構(gòu)造有很大的關(guān)系。集成銜接器n典型的ICM內(nèi)部圖，經(jīng)過(guò)PCB走線把8根管腳銜接到內(nèi)部變壓器上，變壓器固定在垂直的PCB上，此張圖移除了其中一個(gè)端口。集成銜接器n另外一種構(gòu)造，8根管腳穿過(guò)PCB直接銜接到變內(nèi)部壓器上，變壓器直接固定在PCB和底層管腳之間。ICM中的共模耦合n差分線對(duì)經(jīng)過(guò)變壓器

18、兩端的中心抽頭銜接在一同n共用GND管腳n器件嚴(yán)密的放置于銜接器內(nèi)部n這會(huì)引起兩種共模耦合：同一端口的差分線對(duì)之間耦合以及相鄰端口的耦合。ICM中的共模耦合n如以下圖，共模抑制等于一切線對(duì)間最差的抑制情況n不同線對(duì)間的共模-差模轉(zhuǎn)換的影響也很大POE功能n經(jīng)過(guò)網(wǎng)線中的兩對(duì)線進(jìn)展直流電源傳輸，普通是48V電源，電流可以到350mA，經(jīng)過(guò)變壓器的中心抽頭輸入。nPOE功能的額外思索：n高壓隔離，包括POE線路的隔離n防止共模電感的磁飽和nPOE線路對(duì)線纜的噪聲耦合POE功能典型POE集成銜接器的線路圖引薦在48V電路上運(yùn)用2線共模電感需求直流電容A點(diǎn)處電容到機(jī)殼需求有低阻抗銜接POE功能POE中3

19、線共模電感的運(yùn)用是一個(gè)低本錢(qián)的方案一切3線電感的相關(guān)思索與之前一樣在48V線路上沒(méi)有共模電感，任何48V上的共模噪聲都會(huì)直接到UTP上，最好可以在此線路上添加共模電感POE功能n不要在沒(méi)有自耦變壓器的情況下把共模電感放于線纜側(cè)nPOE線路中的直流電流會(huì)導(dǎo)致共模電感的磁飽和，從而降低共模電感的濾波效能ICM中的不平衡要素n銜接器管腳的不平衡，包括管腳間電磁耦合的不平衡，走線長(zhǎng)度不同引起的不平衡。n不平衡引起共模-差模轉(zhuǎn)換，銜接器管腳間不平衡以及管腳和變壓器之間銜接走線的不平衡所引起的轉(zhuǎn)換要遠(yuǎn)大于中心抽頭不平衡引起的轉(zhuǎn)換。n假設(shè)設(shè)計(jì)中進(jìn)展思索，可有效降低這種不平衡。銜接器特性的測(cè)試n實(shí)驗(yàn)方法可快速

20、有效的測(cè)出EMI抑制特性n需求系統(tǒng)級(jí)的測(cè)試n需求設(shè)計(jì)與實(shí)踐產(chǎn)品環(huán)境類似的條件n包含EMI特性的不同方面。如共模抑制，共模-差模轉(zhuǎn)換，對(duì)ESD，EFT及RFI等的呼應(yīng)。n必要的測(cè)試夾具銜接器特性的測(cè)試兩種實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法網(wǎng)絡(luò)分析儀的共模-共模和共模-差模S參數(shù)的測(cè)試：4端口或3端口測(cè)試；測(cè)試夾具需求仔細(xì)設(shè)計(jì)，測(cè)試結(jié)果與夾具有很大關(guān)系，規(guī)范的夾具可以使測(cè)試可反復(fù)性并且有可比性。共模電壓探頭測(cè)試，對(duì)系統(tǒng)級(jí)變壓器的共模抑制性能測(cè)試有很好的運(yùn)用，可以與輻射和傳導(dǎo)發(fā)射直接相關(guān)。銜接器特性的測(cè)試nNA測(cè)試簡(jiǎn)圖如右圖n分別變壓器的夾具如以下圖銜接器特性的測(cè)試n集成銜接器的測(cè)試夾具如以下圖n8PIN網(wǎng)口插頭與SMA

21、接頭轉(zhuǎn)換夾具如以下圖銜接器特性的測(cè)試n集成銜接器夾具下3端口NA測(cè)試設(shè)置銜接器特性的測(cè)試n一個(gè)端口中4對(duì)線分別的共模-共模傳輸函數(shù)測(cè)試結(jié)果如以下圖。其中一對(duì)線在以太網(wǎng)頻段內(nèi)有好的共模抑制性能。是由于設(shè)計(jì)緣由還是偶爾要素？可以研討得到更好的設(shè)計(jì)。銜接器特性的測(cè)試n以下測(cè)試結(jié)果是與上邊銜接器有同樣線路圖，并且是同一個(gè)廠家， 只是不同樣品在不同時(shí)間的測(cè)試結(jié)果?？梢钥闯觯€路圖并不能決議銜接器的共模抑制性能，廠家能否可以控制產(chǎn)生這一差別的要素？假設(shè)可以留意到關(guān)鍵要素的影響是可以很好控制的。銜接器特性的測(cè)試n一個(gè)端口中4對(duì)線分別的共模-差模傳輸函數(shù)測(cè)試結(jié)果如以下圖。在1%不平衡的情況下最差有-46dB的轉(zhuǎn)換。假設(shè)不進(jìn)展有效的控制，很容易超越-40dB。銜接器特性的測(cè)試n以下測(cè)試結(jié)果是與上邊銜接器有同樣線路圖，并且是同一個(gè)廠家， 只是不同樣品在不同時(shí)間的測(cè)試結(jié)果?？梢钥闯?，線路圖并不能決議銜接器的共模轉(zhuǎn)差模性能，廠家能否可以控制產(chǎn)生這一差別的要素？假設(shè)可以留意到關(guān)鍵要素的影響是可以很好控制的。對(duì)實(shí)踐測(cè)試的呼應(yīng)n可以