網(wǎng)絡變壓器和連接器的設計及應用

1、.網(wǎng)絡變壓器和連接器的設計及應用 網(wǎng)絡變壓器設計原理和連接器應用 編制：宋 連康科技有限公司培訓教材 遷 審核： 核準： 簡 介 A.變壓器的最基本型式包括兩組,繞有導線之線圈,并且彼此以電感方式耦合一起,當一交流 電流(具有某一己知頻率)流于其中之一組線圈時,于另一組線圈中將感應出具有相同頻率之 交流電壓,而感應的電壓大小取決于兩線圈耦合及磁交鏈之程度,變壓器區(qū)分為升壓與降壓 變壓器兩種,大部分的變壓器均有固定的鐵芯,其上繞有一次與二次的線圈. 變壓器之主要構(gòu)造可分為下述三項: 鐵芯由:鐵鈷、鎳等合金之導磁材料構(gòu)成,作為導磁回路籍以增強電磁感應作用,提高變壓 器之電磁轉(zhuǎn)換效率. 線圈:以銅鋁

2、及其合金作成導電回路,圍繞于鐵芯之上,用來傳送輸入及輸出之電流. 絕緣物:包含各種固態(tài)、液態(tài)及汽態(tài)之不導電絕緣材料.如紙，紗,漆,陶瓷,樹脂及 N2,CO2,SF6 等汽體.用以支持隔離導電回路及協(xié)助散熱,冷卻. 2.變壓器分類: 依頻率分為:高頻變壓器 低頻變壓器 音頻變壓器 . 依材料分為:矽鋼片變壓器 鎳鋼片變壓器 IRON POWER變壓器 KOOL變壓器 矽鋼卷變壓器 Ferrite變壓器. 依功能分為:低頻電源變壓器 高壓變壓器 線性濾波器 鎮(zhèn)流器 高頻電源 變壓器 電流變壓器 DC/AC逆交變壓器 網(wǎng)絡變壓器 通訊變壓器 通信 變壓器 (11)匹配變壓器. 在通訊網(wǎng)絡或局域網(wǎng)中，

3、變壓器經(jīng)常被用在電路的物理層部份或模擬部份，主要起隔離、濾 波、阻抗匹配以及倒相作用，優(yōu)化電路以求信號在傳輸過程中有最小的損失從而達到最佳的 信號傳輸效果。 近年來由于網(wǎng)絡通訊的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡變壓器發(fā)展尤為迅速，市場需求量十分巨大，在ISDN、 10/100/1000BASET以太網(wǎng)、ADSL/VDSL、T1/P1上都有大量的使用。 二變壓器的基本工作原理 1器的基本原理圖如（圖二），當給變壓器初級繞組加上電壓Ui時，在該繞組中產(chǎn)生電流 i1，電流i1建立了沿鐵芯磁路而閉合的磁通0，該磁通同時也穿過次級繞組，并在次級繞 組中產(chǎn)生感應電動勢E2。 按電磁感應定律可得： 對于理想變壓器來說：120

4、當 Ui為直流電壓時，磁通量0的變化率趨近于0，即所以E20，故變壓器對直流信號相當于開路，有良好的隔離效果。 當Ui為交流電壓時，感生電動勢隨著磁通量變化而變化，磁通量變化得越快，感生電動勢也就越大，磁通量變化得越慢，感生電動勢也就小，感生電動勢的有效值為： E1=4K? N1BmSC×10-4 E2=4K? N2BmSC×10-4 E1：初級自感電動勢（V），對于理想變壓器（不考慮線路、鐵芯和漏磁的損耗）這個電動勢與電壓Ui的大小相等，方向相反，即E1-Ui； E2：次級互感電動勢（V）； K：電壓的波形因數(shù)，對于正弦波，K1.11，對于方波，K1； ?：交流電壓Ui的

5、頻率（HZ）； N1：初級線圈的圈數(shù)； N 2：次級線圈的圈數(shù)； Bm：磁感應強度的幅值（T）； SC：鐵芯有效橫截面積（CM2）。 由此可得： 即變壓器初、次級兩端的感生電動勢之比等于初、次級圈數(shù)之比。 對于理想變壓器來說，因為不考慮繞組的銅損和鐵芯的鐵損，且假設穿過初級繞組的磁通也完全穿過次級繞組，則根據(jù)能量守恒定律可知：變壓器的初級繞組的輸入功率等于次級繞組的輸出功率，因此： P1P2； I1*E1I2*E2；則有： 即流過變壓器初、次兩級的電流之比等于初、次兩級圈數(shù)的反比。 變壓器初級阻抗為Z1，次級阻抗為Z2，則： = Z2 I2 數(shù) M：是互感系數(shù) 對于理想變壓器來說，初、次兩級間

6、的感生電動勢是相等的，即u1(t)=u2(t)。 ? 對網(wǎng)絡通訊用的磁性器件,廣義的理解是指網(wǎng)絡通訊設備所需要使用的磁性器件,第 一:包括POWER電源部(包括電源上所使用的功率變壓器,輸入輸出電感,電流互感器,差共模濾波器等);第二;數(shù)據(jù)傳輸部份,相對前者,對功率密度的要求被寬帶可靠傳輸數(shù)據(jù)信號要求所取代.因此,相應對磁性器件的要求就有很大差別,二者的設計理論也是截然不同的.第三:隨著電磁噪聲的是益惡化和相關(guān)標準的強制執(zhí)行,怎樣以最佳的性價比和最小的空間占用解決電磁兼容問題,也越來越成考慮的重點之一,除了要求對系統(tǒng)干擾源進行診斷和定位外,從器件級的角度進行合理的器件設計也成為解決電磁兼容重要

7、一環(huán).因此,對磁性材料的合理選擇成為器件設計的關(guān)鍵,下面,分別就以上三方面進行具體的討論. ? 第一部份:POWER部份 ? 隨著通訊的發(fā)展,對電源的要求向更高功率密度,更大電壓和更大電流方向發(fā)展,限 制開關(guān)電源小型化,高頻化的主要因素是電感變壓器等磁性器件和有源開關(guān)管及二極管.從磁性元件角度考慮,由于工作頻提高,電源主變壓器的設計對磁芯的選擇提出了新的要求,對DC-DC模塊來講,開關(guān)頻率己經(jīng)達到400KHZ以上,在這一頻率使用低導磁系數(shù)的材質(zhì)己經(jīng)達不到要求,同時對于輸出電感,由于直流偏置特性要求,同粉芯材料相比,鐵氧體的飽和磁感就強度(Bs)較低,直流偏聽偏置(DC-BIAS)能力較差,當不

8、能滿足降低器件高度和體積的要求時 ? 必須使用MPP(鉬鈹合金),鐵硅鋁,HIGH FLUX(高磁通磁芯)以及鐵粉芯,同時,采用扁 平螺旋繞線技術(shù),達到減小繞組空間和增加可靠性.目前,美國普思,美國線藝,日本松下等國外知名變壓器公司都在大電流輸出平面電感方面有批量產(chǎn)品供應,在這些產(chǎn)品中,有采取復合磁芯,底座采取絕緣的NiZn,頂部采取鐵硅鋁平螺旋電感,如圖一所示: ? 上面的最大額定電流可達30A,也有采取塑膠骨架,鐵硅鋁作磁芯的電感,.引線接頭采取壓接工藝,即滿足了大電流的要求接觸電阻和高可靠性的要求,以滿足環(huán)保無鉛的要求,還有采用作絕緣處理的粉芯材料一次沖壓成型的一體化電感,由于無需骨架,

9、線圈先單獨繞制,再一次成型,不但高度更低,而且,噪聲更低,可靠性更高,瞬態(tài)電流抗飽和性更強.其電最大額定電流 可達60A,瞬太磁芯飽和和電流可達120A,同時渦流損耗很低,工作頻率可以達到5MHZ,如下 在變壓器方面,平面變壓器應該是通訊業(yè)變壓器發(fā)展的趨勢,目前,象日本TDK,飛磁,開發(fā)出了各種平面磁芯,以滿足市場需求,比如,針對板上型磁芯board mounted power supply(即變壓器繞組直接設計在電源主板的多層PCB上,磁芯直接粘在主板上即可),國際電工委員會(IEC)出臺的標準61860中,磁芯中柱類似橢圓,即減小了主板的開口,因此Rdc/L更小,使得變壓器的銅損更低,響應

10、面積,又減小了每匝線圈的長度,布線的允許寬度也增加更好.如下圖所示: 目前,互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展日新月異,我國互聯(lián)網(wǎng)同歐美相比,相對比較晚,對我們來說未必不是好處,這樣可以減速少很多彎路,涉及到電磁電感變壓器的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中包括傳輸網(wǎng),交換網(wǎng)和接入網(wǎng),從現(xiàn)在來看,接入網(wǎng)發(fā)展速度非?？?從傳輸介質(zhì)來看,可以分為光纖技術(shù),混合光纖同軸電纜接入技術(shù),銅線接入技術(shù),目前,由于銅線接入技術(shù)能夠利用傳統(tǒng)的公共交換電話網(wǎng)的電話線,具有較好的性價比,比較適中國國情而己發(fā)展速度快,目前ADSL接入網(wǎng)的發(fā)展速度非常快,可以預見的是,VDSL的大規(guī)模發(fā)展己經(jīng)不遠了,而其中涉及的寬帶變壓器是最關(guān)鍵的器件,要求較高的傳輸速帶寬,而對

11、功率要求卻不高,以下就寬帶變壓器的設計中磁芯的就用作一簡要論述. 基本理論: 寬帶變壓器屬于繞線式設計的磁性器件,在寬帶頻率范例辦進行能量傳輸,絕大多寬帶變壓器廣泛應用在各種低功率的電信通訊設備方面 上圖表示了寬帶變壓器的插損-頻率曲線的典型特性,變壓器的帶為f2與f1之間的頻率間隔,或者是f2與f1之間的頻率間隔,從圖上可以看出,具有陡峭的截止頻率特性曲線的帶(f2- f1)比平坦陡峭頻率特性(f2- f1)更窄,從圖上也可以看出,三個頻段分別被表示出來,寬帶變壓器的截止頻率根據(jù)具體的變壓器的設計要求來決定,因此,下限頻率f1可以高于10MHZ,也可以低于300HZ,帶寬也可能從幾百赫茲到幾

12、百兆赫,寬帶變壓器設計的一個典型指標是中頻帶內(nèi)的最大插損和截止頻率處的最大允許插損,下圖是一個變壓器的集總參數(shù)等效原理圖,將電路看成一理想變壓器,包含等效寄生電阻和感抗,副邊元件己經(jīng)轉(zhuǎn)換到原邊,包括寄生和負載阻抗 為了簡化電路,將原副邊結(jié)合,簡化的等效電電路如上圖,參數(shù)的物理意義列在等效電路下面,在低頻區(qū),傳輸特性變壞是由于低頻區(qū)較低的激勵阻抗阻所致,激勵阻抗隨著頻率的降低而下降,導致信號衰減加,激勵阻抗中,原邊勵磁電感Xlp占主要部份,忽略了產(chǎn)生漏電流的等效并聯(lián)損耗電阻,因此,插入損耗以原邊并聯(lián)勵磁電感如下: 在大多數(shù)寬帶變壓器設計中,在中心通頻帶內(nèi)影響傳輸性能的主要是線圈電阻,由于線圈電阻

13、影響的插入損耗表達式下如下這里的RC=R1+R2 在高頻頻段,傳輸特性主要受到線圈漏感和匝間分布電容的影響,此時,通常情況下線圈勵磁電感和線圈電阻都必須考慮,取決于電阻的阻抗特性,在低阻抗電阻中,由于漏感導致的高頻信號衰減表示如下: 在高抗阻電路中,由于分布電容導致的高頻信號衰減表示如下： 回顧以上三個頻段的插入損耗特性,可以得出以下結(jié)論:在變壓器設計中,鐵氧體磁芯的材料和形狀決定最低截止頻率處f1的每匝最高電感量,也就決定了低頻處達到設計要求的電感量所需要的最少線圈匝數(shù),較少的線圈匝數(shù)恰好是中心頻段達到低損耗要求所希望的,也有利于滿足頻率高端f2好的頻率響就所需要低的繞組寄生參數(shù)要求. 在磁

14、芯上繞一匝的直流電阻和電感量的比值必須盡量小,國際電工委員會在IEC60133號文件里己經(jīng)設計定義了最小的R dc/L值的罐型磁芯,其它形關(guān)諸如EP型和PQ型磁芯也能夠用于寬帶變壓器設計中,通常情況下,最后選擇何種磁芯中還會受到諸如線圈繞制的難易,線圈端頭處理和其他機械設計的約束限制 . 帶靜態(tài)直流偏置磁場的寬帶變壓器在設計帶靜態(tài)直流偏置電流的變壓器時,通過開氣隙磁芯來克服電感的跌落,通過廠家提供的漢納曲線可以幫助我們評估直流偏置對電感量的影響. 低頻和中頻頻段寬帶變壓器 在寬帶變壓器的應用設計中,比較合適的磁芯是在低端下限頻率處有盡量高的初始磁導就率的MnZn材料,比如磁導率為5K或7K,非

15、常適合用于低頻和中頻寬帶變壓器的設計中,一般來說,變壓器并聯(lián)勵磁電感并不是最關(guān)鍵的參數(shù),只要隨著頻率的提高,磁芯材料的磁導率為常數(shù)或者減小的速度比頻率提高的速度慢即可,可以肯定的是,設計變壓器時,只要下限頻率f1在MnZn鐵氧體的u i f曲線的平坦部份即可,雖然在變壓器的整個通頻帶內(nèi),磁性材料的磁導率己經(jīng)減小,但實際上對變壓器的通帶特性沒有影響,在寬帶變壓器的設計過程中,MnZn鐵氧體的幾何尺到此寸應該盡量減小線圈電阻和電感之比,即Rdc/L,換句話說，雖然對高中低頻并沒有一個明確的劃分,但我們常使用錳鋅或NiZ 作為高頻寬帶變壓器設計的磁計,主要是指帶寬超過500khz以上的寬帶變壓器,在

16、這段頻就率范圍內(nèi),考慮磁芯材材的復數(shù)磁導率特性很重要,而不象在低頻設計變壓器,比如感因子AL.還有很重要的一點必須考慮到,那就是高頻段變壓器通常于用低阻抗電路中,因此,要求激勵阻抗比較低,這就意味著需要的線圈的匝數(shù)較少,因此,線圈電阻變得更小,對器件性能的影響變得不再重要,設計準則即最小化R dc/L不再考慮,此時設計的重點在磁芯形狀和在下限頻率f1到達要求的激勵阻抗的同時盡量減小繞組的漏感所要求的磁性材料特性.即然材料的磁導率特性以及磁芯損耗直接影響激勵阻抗的大小,因此,在高頻頻段寬帶變壓器的設計過程中必須考慮到這些參數(shù)的影響,下圖是磁芯的阻抗,等效并聯(lián)感抗XP以及等效并聯(lián)損耗電阻RP的頻率

17、特性. 對高頻頻段帶寬變壓器來說,環(huán)形磁芯是最佳選擇,達到要求的電感所需的匝數(shù)較少,繞制也比較容易,然而,較少的匝數(shù)對于獲得期望的阻抗變比帶來一定的難度,為了最小化線圈的漏感,建議副邊采取雙絞線形式以達到原副邊的緊密藕合.還可以利用多孔磁芯取代相鄰的兩個磁環(huán)改善磁環(huán)的性能,同相等的尺寸因子C1的單磁環(huán)相比,多孔磁芯具有更短的每匝線圈長度,所以設計的變壓器具有更高的帶寬,許多寬帶變壓器利用N I Z n鐵氧體取得了良好的效果,如果利用單磁環(huán)達不到要求的帶寬,可以使用多孔N I Z n鐵氧體來設計. 總結(jié): 變壓器的下限頻率f1特性是選擇鐵氧體最重要的因素,在f1頻率處要求有盡量高的初始磁導率,M

18、nZn材料下限頻率F1低于500khz的變壓器設計,超過這個頻率,必須使用NiZn材料.在低頻和中頻頻段,選取磁芯外形的規(guī)則是使每匝線圈的直流電阻盡量小,如果電路要求有直流偏置電路,可以參照漢納曲線選取開氣隙磁芯,在高頻頻段,選擇NiZn鐵氧體材料,和多孔磁芯為優(yōu)選的的磁芯外形.;線圈的匝數(shù)盡量小以便降低漏感和匝間分布電容,原邊和副邊繞組通過雙絞線達到緊密耦合以減速小漏感. 對ADSL網(wǎng)口變壓器,目前普遍選擇的是EP(EP13/EP10/EP/7)磁世.在信號傳輸中,必須要求阻抗匹配,以降低信號的反射和振蕩,同時,由于磁芯磁化的非線性,會產(chǎn)生高次諧波,如何降低諧波是提高網(wǎng)絡轉(zhuǎn)輸質(zhì)量的關(guān)鍵數(shù),因

19、此,磁芯的總諧波失真THD必須盡量小,對于磁芯工作在小信號情況下,一般使用高磁導率和適當?shù)拈_氣隙,通過理論推可知,諧波中偶次諧波正好抵消,只有奇次諧波,而三次諧波占絕大部份,因此,只要減小三次諧波的幅度,THD即可明顯降低,因此,對磁芯材料廠家來說,如何調(diào)材配方和燒結(jié)工藝以降低三次諧波變得非常重要： 同時,為了進一步降低THD,磁芯廠家對磁世的外形結(jié)構(gòu)也作了優(yōu)化, 如下圖所示中心柱類似 橢圓的EPO或EPX磁芯,通過這種改進,THD得到一步改善. ADSL/Cable路由器的應用和普及隨著寬頻上網(wǎng)的普及和價格的下降，越來越多的中小企業(yè)和家庭使用ADSL或Cable Modem來上網(wǎng)。在此情況下

20、，為使企業(yè)或家中多臺電腦組成的小型局域網(wǎng)接入互聯(lián)網(wǎng)，使用ADSL/Cable路由器是最佳選擇。ADSL/Cable路由器可支持多達二百多個用戶，可配置為DHCP服務器，且可作為您的局域網(wǎng)上唯一能被外部識別的互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)；您還可以通過配置限制內(nèi)部用戶訪問互聯(lián)網(wǎng)，路由器內(nèi)建的防火墻還可以抵御黑客的入侵,下面以臺灣產(chǎn)的EA-2204型ADSL/CABLE路由器為例. RTL8305S的每一個端口均可持100Mbps的100BASE-TX高速以太網(wǎng)傳輸或10Mbps-T的以太網(wǎng)傳輸。在EA-2204路由器電路中，其第5端口設定為一個MII(獨立媒體接口)來銜接微控制器S3C4510B中的以太網(wǎng)控制器。R

21、TL8305S提供自動協(xié)商電路，自動設定是100Mbps或10Mbps,全雙工或半雙工是否進行流量控制。 RTL8305S的一個重要特點是提供了連接（LINK），激活，沖突，全雙工，10Mbps或100Mbps的指示燈功能。通過LED顯示，使用者很容易判斷網(wǎng)絡的連接狀態(tài)，RTL8305S 集成 度高，耗電小，采和128腳的封裝，如上圖所示。 下圖為RTL8305S連接局域網(wǎng)的示意圖，圖中所示為一個LAN端口，EA-2204共4個LAN端口，左邊為RTL8305S，中間了隔離變壓器，右邊為RJ45插座，通過雙絞線連接到局哉網(wǎng)。 該模塊中共有四個通道（8路，每通道二路，一路接收，一路發(fā)送，每通道對

22、應一個RJ45端口）。每路的作用有兩個，一是將路由器和局域網(wǎng)間的直流連接隔良，絕緣電壓可達1500V（有效值勤）;另一個是信號傳輸，傳輸為1：1，此外，每一路內(nèi)部均接有互感器以消除共模信叼，防止干擾造成信號錯誤。 變壓器參數(shù)定義&測試方法（變壓器的一般參數(shù)） 1 變比（Turn Tatio） 理想的變壓器的變比等于初次級匝數(shù)比，變比大小是根據(jù)電路的需要確定的。 開路電感是指初級或次級繞組的自感，測試OCL時，測量腳位對面的繞組處于開路狀態(tài)，這個參數(shù)影響產(chǎn)品低頻時的工作狀態(tài)，OCL越高時，下限工作頻寬越寬，參10/100/1000BASET的變壓器來說，其OCL測試條條件一般為1

23、00KHZ，100Mv： 2 漏感（Leakage inductance） 由于初級或次級繞組的漏磁通而產(chǎn)生漏感，漏感的大小直接影響變壓器的高頻性能， 較低的 漏感意味著初，次級間耦合得較好，測試漏感時，測量時腳位對面的繞組處于短路狀態(tài)。 4直流電阻DCR DCR 是指初級或次級繞組導線的直流電阻，它與導線的材質(zhì)、橫截面積、長度有關(guān)，線徑越大、圈數(shù)越少，則DCR越小。 匝間電容Interwinding Capacitance Cww Cww定義為初、次級繞組之間的電容。匝間電容的大小對變壓器的高頻工作影響較大。 匝間電容越大則高頻信號耦合越好。但是較大的匝間電容為共模雜訊（EMI）提供了通道，

24、降低了變壓器的抗電磁干擾能力。且在增大變壓器匝間電容的同時，變壓器同一繞組間的電容（Cd）也增大，使得載波信號直接由正極通過Cd直接耦合到負極，從而降低了高頻信號的傳輸能力。而且匝間電容與漏電感是相互沖突的，匝間電容過小，必然 導致漏電感過大，從而也降低了變壓器的高頻性能。 6上升時間RISE TIME 上升時間指脈沖幅值最初達到峰值脈沖幅度10%與90%兩瞬間相隔的時間。上升時間受LS*CS均方根值的影響較大。（漏感：LS；分布電容：CS） 7高壓HIPOT 此參數(shù)反映了初、次級間的絕緣效果，產(chǎn)品的耐壓等級與采用的漆包線的耐壓能力和絕緣灌封物質(zhì)絕緣效果有關(guān)。 除了以上的一般參數(shù)外，變壓器還需測試網(wǎng)絡曲線。HP 8712C RF NETWORK ANALYZER和AGILENT 43 95A NETWORK/SPECTRUM/IMPEDANCE ANALYZER 是連康的主要網(wǎng)絡測試儀器。 1.插入損耗Insertion LossIL定義為信號通過變壓器衰減后的功率與源信號功率的比值，一般用分貝值表示，通常希望這個值的絕對值的越小越好。變壓器IL的典型值一般為0.5dB1.5dB(1dbB相當于信號衰減了大約20%) 造成IL過大的可能原因有：鐵芯本身