RJ45網(wǎng)口變壓器工作原理與設(shè)計(jì)指南

1、2022-3-31網(wǎng)口變壓器n簡介n差模傳輸特性（功能性特性）n共模傳輸特性（EMI抑制特性）2022-3-32簡介n以太網(wǎng)設(shè)備在收發(fā)器和網(wǎng)線間使用變壓器，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)備通過變壓器提供48V電源，采用集成連接器，應(yīng)用越來越廣泛。這些器件的特性對于EMI的抑制很關(guān)鍵。n不可能通過變壓器的data sheet判斷變壓器的特性?？梢允褂镁W(wǎng)絡(luò)分析儀測試，但要注意系統(tǒng)性能是不同的，如果不了解系統(tǒng)的特性，不能完全判斷變壓器的特性。并且測試方法也沒有一定的標(biāo)準(zhǔn)。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，需要一個(gè)bench-level測試方

2、法來測試變壓器特性。2022-3-33簡介以太網(wǎng)變壓器的功能：n滿足IEEE 802.3中電氣隔離的要求n不失真的傳輸以太網(wǎng)信號nEMI抑制：EMI特性直接與CM特性相關(guān)；相關(guān)信息不會出現(xiàn)在data sheet中；結(jié)構(gòu)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的要求限制了一些可能的選擇；價(jià)格方面的考慮。2022-3-34簡介變壓器的構(gòu)成：n脈沖（隔離）變壓器n共模電感n自耦變壓器n電容n電阻n封裝/結(jié)構(gòu)（集成變壓器中的連接器管腳和走線）2022-3-35簡介n典型的以太網(wǎng)口電路2022-3-36差模傳輸特性2022-3-37差模傳輸特性n主要考慮差

3、模參數(shù)。頻率范圍考慮從1MHz到100MHz（CAT5E）和250MHz（CAT6）n需要一些理想的假設(shè)簡化初始的分析：假設(shè)磁導(dǎo)率足夠大可認(rèn)為是無窮大磁芯的此話足夠小可認(rèn)為是0忽略磁芯損耗忽略繞線電阻所有磁力線都在繞線內(nèi)（即沒有漏磁）忽略繞線間的電容2022-3-38差模傳輸特性n法拉第定律，閉合環(huán)路的感應(yīng)電動勢與磁力線隨時(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2022-3-39差模傳輸特性n環(huán)形磁芯上的自感和互感R2 2022-3-310差模傳輸特性n變壓器的線路符號n阻抗的轉(zhuǎn)換2022-3-311差模傳輸特性n磁芯的磁化和飽和2022-3-312非理想?yún)?shù)n有限的磁導(dǎo)率2

4、022-3-313非理想?yún)?shù)n磁芯損耗：磁滯現(xiàn)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。降低磁芯損耗可以通過采用高電阻系數(shù)材料（如鐵氧體材料）和采用薄板磁芯阻止渦旋電流的流動。2022-3-314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來描述，0k1。漏磁和繞線技術(shù)和磁芯形狀有關(guān)。2022-3-315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：初級和次級線圈間的電容，容值足夠小，對于正常差模信號沒有影響，對于無意的共模信號有足夠低的阻抗，會明顯影響EMI相關(guān)特性。2022-3-316非理想?yún)?shù)n變壓器等效電路20

5、22-3-317頻率響應(yīng)n降低磁化和泄露電感和分布電容可以增加頻率范圍n降低磁芯損耗和繞線電阻可以降低插入損耗2022-3-318頻率響應(yīng)n脈沖上升的時(shí)域響應(yīng)如右圖n并聯(lián)的磁化電感LM對于上升沿有很大的阻抗，可以忽略n響應(yīng)曲線是指數(shù)阻尼振蕩下降n振蕩幅值和阻尼系數(shù)決定于LL，CD，R2。（假設(shè)源阻抗可以忽略）2022-3-319頻率響應(yīng)n脈沖峰值的響應(yīng)曲線如右圖n響應(yīng)主要決定于磁化電感和負(fù)載阻抗R2n漏感遠(yuǎn)小于磁化電感，可以忽略n分布電容可以忽略，因?yàn)殡娏鞑唤?jīng)過此電容n負(fù)載電壓隨時(shí)間指數(shù)降低2022-3-320頻率響應(yīng)n漏感遠(yuǎn)小于磁化電感，可以忽略n響應(yīng)曲線是指數(shù)阻尼振蕩下降n振蕩幅值和阻尼系

6、數(shù)決定于磁化電感，分布電容和負(fù)載阻抗。2022-3-321頻率響應(yīng)2022-3-322共模傳輸特性2022-3-323理想中心抽頭變壓器理想中心抽頭的變壓器，所有的共模電流通過中心抽頭返回到源。中心抽頭作用：n通過提供差分線上共模噪聲的低阻抗回流路徑，降低線纜上共模電流和共模電壓。n對于某些收發(fā)器提供一個(gè)直流偏置電壓或功率源2022-3-324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n因?yàn)長CT + L0，所以中心抽頭上存在共模電壓。n共模電壓在線纜上驅(qū)動共模電流，產(chǎn)生輻射。2022-3-325共模電感n對有意差分信號的傳輸，以及對無意共模信號的抑制，如圖

7、n共模電感的符號和模型。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）由于能量耗散是有好處的。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)。2022-3-326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（開路電感）；插入損耗；回返損耗（與所有差分參數(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）；初次級線圈間電容；共模電感阻抗。2022-3-327變壓器共模特性n共模抑制效能是各器件特性，寄生參數(shù)及相互

8、影響的綜合結(jié)果n不能僅通過data sheet中的電路圖來判斷抑制效能，現(xiàn)在的data sheet對判斷EMI抑制性能只有很少的作用nEMI性能的測試并不容易，需要特定的測試環(huán)境及測試夾具。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變壓器的共模抑制都很關(guān)鍵。2022-3-328以太網(wǎng)線的傳輸模式n理解以太網(wǎng)線的傳輸模式是理解變壓器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。有意和無意信號同時(shí)傳輸。有意信號是信號對兩線間的差模信號。無意信號包括：信號對之間的共模/差模混合信號。信號與環(huán)境間的共模信號2022-3-329以

9、太網(wǎng)線的傳輸模式n傳輸模式的圖示2022-3-330各傳輸模式和EMI間的關(guān)系n信號對兩線間的差模信號：相反的電流相互抵消，電場抵消，低EMI問題。n信號對之間的共模/差?；旌闲盘枺号c真正的共模信號不同，它的傳輸也在線纜內(nèi)部，所以也不是影響EMI的主要信號。n信號與環(huán)境間的共模信號主要的EMI源：傳輸發(fā)生在線纜和周圍環(huán)境間，最容易引起EMI問題。所以變壓器主要的EMI抑制功能就是減少這部分的噪聲。2022-3-331差分模式n不是EMI直接的原因n也是輻射的源，通過一些轉(zhuǎn)換機(jī)制，將一部分差模信號轉(zhuǎn)換成共模信號n保持信號線的平衡，對稱，阻抗匹配以及合理端接是非常重要的。例如，只有幾pF的不平衡就

10、會引起很明顯的差模共模轉(zhuǎn)換，增加串?dāng)_和EMI問題。2022-3-332混合差模/共模模式n采用75ohm端接電阻，如圖。n此電阻提供差分線對之間150ohm的端接，主要用于混合模式信號的阻抗匹配。高壓電容CHV將線纜終端連接到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)接地的低阻抗路徑。2022-3-333共模信號是引起EMI的最直接原因，產(chǎn)生的原因包括：n不平衡（阻抗，幅值，時(shí)間，dv/dt）n串?dāng)_n非理參考面（地彈，參考面與機(jī)殼間的射頻電壓）2022-3-33475ohm端接的共模阻抗n對于EMI的改善，最好在線纜的終端通過一個(gè)低阻抗直接連接到機(jī)殼上。n75ohm端接

11、對于共模信號是否是一個(gè)低阻抗？n75ohm端接對于阻抗匹配更好還是對于共模抑制更好？2022-3-335一般變壓器的配置n兩線共模電感位于PHY側(cè)：這種配置不適于電流驅(qū)動型的收發(fā)器，這種類型的收發(fā)器TX輸出功率是由中心抽頭處連接的電源提供的，后邊詳細(xì)介紹。n需要注意GND0V2022-3-336一對線的共模模式簡化圖2022-3-337共模模式的參數(shù)nZCMC：共模電感的阻抗，通過對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。可以通過減小線圈間的重合減小此電容容值，特別是整個(gè)線圈兩端之間的距離?？拷鼈鲗?dǎo)的結(jié)構(gòu)也會

12、明顯影響這個(gè)電容的容值。2022-3-338共模模式的參數(shù)n典型的共模電感阻抗是磁芯材料， 形狀，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，在其它頻段一般會有低的阻抗。n共模阻抗會隨著磁飽和而降低，這在以下兩種情況中特別重要：一是有POE功能時(shí)，直流電流會使磁芯飽和二是暴露的UTP耦合到強(qiáng)電壓和電流，如暴露在高強(qiáng)度的EMI下。2022-3-339共模模式的參數(shù)n不平衡的中心抽頭（PHY側(cè)）：用L1來描述線圈兩邊的不平衡。對于理想變壓器，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：一是L1隨著頻率增加阻抗增加， 限制了通過中心抽頭減小共模電流的作用二是對于

13、差分信號差生不平衡的影響，引起差模-共模以及共模-差模轉(zhuǎn)換。這會增加輻射和敏感度。2022-3-340共模模式的參數(shù)n中心抽頭連接電感L1，增加中心抽頭連接阻抗，主要決定于布線的情況。不會在中心抽頭處產(chǎn)生信號間轉(zhuǎn)換，但明顯降低了100MHz以上的共模抑制性能。n此電感典型值是10nH2022-3-341共模模式的參數(shù)n中心抽頭電容容值：如果容值用0.1uF，與10nH串聯(lián)電感在5MHz發(fā)生諧振。在諧振頻率以上，中心抽頭連接的阻抗主要體現(xiàn)為感性。使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。2022-3-342共模模式的參數(shù)n初次級線圈間電容，為了消弱變壓器的共模傳輸性能，

14、應(yīng)該盡可能減小此電容容值。但不幸的是，在EMC所關(guān)心的頻率范圍內(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)共模和增加阻抗的影響。2022-3-343共模模式的參數(shù)n線纜側(cè)中心抽頭連接電感LC2：中心抽頭連接到RCM和高壓電容處連線的寄生電感用LC2代替。但很難保證LC2的低阻抗2022-3-344共模模式的參數(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，典型應(yīng)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/共模信號的端接，它也增加了線纜側(cè)中心抽頭連接

15、處的阻抗。2022-3-345共模模式的參數(shù)2線共模電感在PHY側(cè)變壓器模式的總結(jié)：n這種配置對于PHY產(chǎn)生的低頻共模噪聲有很好的抑制作用n共模電感和中心抽頭電容一起提供了有效的低頻濾波n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。2022-3-346正確認(rèn)識所謂的共模端接n關(guān)注線纜側(cè)中心抽頭連接以及所謂的共模端接。n在典型的以太網(wǎng)應(yīng)用中，并沒有明顯的差模/共?；旌蟼鬏斈Ｊ降男盘柤?lì)源。n對這種模式信號進(jìn)行端接可能會影響EMI，但這種傳輸模式并不是EMI的主要源。n所謂的共模端接并沒有端接真正的共模信號。n此端接的效能主要決定于系統(tǒng)設(shè)計(jì)，不能簡單的認(rèn)為此端

16、接會提升EMI性能還是降低EMI性能。需要考慮如下兩點(diǎn)：一是成本和益處；二是有可能為共模噪聲提供一個(gè)繞過共模電感的路徑。2022-3-347正確認(rèn)識所謂的共模端接n高壓電容連接到噪聲源點(diǎn)會增加線纜的共模電流和輻射，如圖。參考平面如果不是理想的0V，高頻的共模電流會繞過共模電感流到外部線纜上，引起輻射。2022-3-348電流驅(qū)動型PHYn為什么2線共模電感不能放置于于電流驅(qū)動形PHY的PHY側(cè)。如圖，當(dāng)有意信號的瞬時(shí)電流走在其中一個(gè)線圈或者在兩個(gè)線圈中電流方向相同的時(shí)候，在磁芯中沒有磁力線抵消，此電感會對這個(gè)有意信號產(chǎn)生一個(gè)高阻抗，從而影響有意信號。2022-3-349電流驅(qū)動型PHYn對于電

17、流驅(qū)動型PHY，共模電感要放于線纜側(cè)，如下圖的應(yīng)用。自耦變壓器用于混合模式的端接。2022-3-350自耦變壓器n有自耦變壓器的共模模式2022-3-351自耦變壓器自耦變壓器的影響n有可能增加共模抑制，提供平衡線圈和到參考面的低阻抗連接n增加寄生參數(shù)漏感和寄生電容n增加封裝和成本2022-3-3522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/共模混合傳輸模式端接不是150ohm，所以75ohm端接達(dá)不到該有的作用，此時(shí)需要選擇不同的端接電阻阻止或者不使用此75ohm端接。2022-3-3532線共模電感位于線纜側(cè)2線共模電感位于線纜側(cè)的總結(jié)n節(jié)約成本n可能提高共模性能n不適合用于P

18、OE的情況（由于磁飽和）n對于高等級的EMI干擾，由于共模電感的磁飽和可能出現(xiàn)問題。2022-3-3543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)動型PHY，中心抽頭供電的電流與信號線圈上的電流相互抵消，減小共模電感的阻抗，保證工作信號的正常。如右圖2022-3-3553線共模電感位于PHY側(cè)n這種3線共模電感的結(jié)構(gòu)對于差分線上共模噪聲同樣會有低阻抗，如圖2022-3-3563線共模電感位于PHY側(cè)n對于GND上的共模噪聲有很好的抑制作用。如果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線共模電感就會有很好的抑制作用。2022-3-3573線共模電

19、感位于PHY側(cè)3線共模電感總結(jié)n低成本，僅有2個(gè)線圈n支持電流驅(qū)動型芯片n對于只存在于差分線上的共模抑制效果差n對于PCB參考上的共模噪聲效果好2022-3-358集成連接器n集成連接器模組（ICM），包含所有變壓器器件被廣泛應(yīng)用，并且是不斷增加的趨勢。n可能在價(jià)格和PCB成本上有優(yōu)勢，但在空間限制和設(shè)計(jì)靈活性方面有挑戰(zhàn)。nEMI性能不知決定于內(nèi)部的器件，與ICM的結(jié)構(gòu)有很大的關(guān)系。2022-3-359集成連接器n典型的ICM內(nèi)部圖，通過PCB走線把8根管腳連接到內(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。2022-3-360集成連接器n另外一種結(jié)構(gòu)，8根管腳穿過PCB

20、直接連接到變內(nèi)部壓器上，變壓器直接固定在PCB和底層管腳之間。2022-3-361ICM中的共模耦合n差分線對通過變壓器兩端的中心抽頭連接在一起n共用GND管腳n器件緊密的放置于連接器內(nèi)部n這會引起兩種共模耦合：同一端口的差分線對之間耦合以及相鄰端口的耦合。2022-3-362ICM中的共模耦合n如下圖，共模抑制等于所有線對間最差的抑制情況n不同線對間的共模-差模轉(zhuǎn)換的影響也很大2022-3-363POE功能n通過網(wǎng)線中的兩對線進(jìn)行直流電源傳輸，一般是48V電源，電流可以到350mA，通過變壓器的中心抽頭輸入。nPOE功能的額外考慮：高壓隔離，包括POE線路的隔離避免共模電感的磁飽和POE線路

21、對線纜的噪聲耦合2022-3-364POE功能典型POE集成連接器的線路圖n推薦在48V電路上使用2線共模電感n需要直流電容nA點(diǎn)處電容到機(jī)殼需要有低阻抗連接2022-3-365POE功能POE中3線共模電感的使用n是一個(gè)低成本的方案n所有3線電感的相關(guān)考慮與之前相同n在48V線路上沒有共模電感，任何48V上的共模噪聲都會直接到UTP上，最好能夠在此線路上增加共模電感2022-3-366POE功能n不要在沒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導(dǎo)致共模電感的磁飽和，從而降低共模電感的濾波效能2022-3-367ICM中的不平衡因素n連接器管腳的不平衡，包括管腳間電磁

22、耦合的不平衡，走線長度不同引起的不平衡。n不平衡引起共模-差模轉(zhuǎn)換，連接器管腳間不平衡以及管腳和變壓器之間連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如果設(shè)計(jì)中進(jìn)行考慮，可有效降低這種不平衡。2022-3-368連接器特性的測試n試驗(yàn)方法可快速有效的測出EMI抑制特性n需要系統(tǒng)級的測試n需要設(shè)計(jì)與實(shí)際產(chǎn)品環(huán)境相似的條件n包含EMI特性的不同方面。如共模抑制，共模-差模轉(zhuǎn)換，對ESD，EFT及RFI等的響應(yīng)。n必要的測試夾具2022-3-369連接器特性的測試兩種試驗(yàn)測試方法n網(wǎng)絡(luò)分析儀的共模-共模和共模-差模S參數(shù)的測試：4端口或3端口測試；測試夾具需要仔細(xì)設(shè)計(jì)，測試結(jié)果與

23、夾具有很大關(guān)系，標(biāo)準(zhǔn)的夾具可以使測試可重復(fù)性并且有可比性。n共模電壓探頭測試，對系統(tǒng)級變壓器的共模抑制性能測試有很好的應(yīng)用，可以與輻射和傳導(dǎo)發(fā)射直接相關(guān)。2022-3-370連接器特性的測試nNA測試簡圖如右圖n分離變壓器的夾具如下圖2022-3-371連接器特性的測試n集成連接器的測試夾具如下圖n8PIN網(wǎng)口插頭與SMA接頭轉(zhuǎn)換夾具如下圖2022-3-372連接器特性的測試n集成連接器夾具下3端口NA測試設(shè)置2022-3-373連接器特性的測試n一個(gè)端口中4對線分別的共模-共模傳輸函數(shù)測試結(jié)果如下圖。其中一對線在以太網(wǎng)頻段內(nèi)有好的共模抑制性能。是因?yàn)樵O(shè)計(jì)原因還是偶然因素？可以研究得到更好的設(shè)

24、計(jì)。2022-3-374連接器特性的測試n以下測試結(jié)果是與上邊連接器有同樣線路圖，并且是同一個(gè)廠家， 只是不同樣品在不同時(shí)間的測試結(jié)果?？梢钥闯?，線路圖并不能決定連接器的共模抑制性能，廠家是否可以控制產(chǎn)生這一差別的因素？如果能夠注意到關(guān)鍵因素的影響是可以很好控制的。2022-3-375連接器特性的測試n一個(gè)端口中4對線分別的共模-差模傳輸函數(shù)測試結(jié)果如下圖。在1%不平衡的情況下最差有-46dB的轉(zhuǎn)換。如果不進(jìn)行有效的控制，很容易超過-40dB。2022-3-376連接器特性的測試n以下測試結(jié)果是與上邊連接器有同樣線路圖，并且是同一個(gè)廠家， 只是不同樣品在不同時(shí)間的測試結(jié)果?？梢钥闯觯€路圖并不能決定連接器的共模轉(zhuǎn)差模性能，廠家是否可以控制產(chǎn)生這一差別的因素？如果能夠注意到關(guān)鍵