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，由收發(fā)器送出的上行數(shù)據(jù)信號從絡(luò)變壓器的Pin16-Pin15進入，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)信號經(jīng)另一對非屏蔽雙絞線和RJ45型轉(zhuǎn)接頭，由Pin7-Pin6進入，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主要實現(xiàn)以下三個功能：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候產(chǎn)生的信號電平總是大于0V的（取決于芯片的制程和設(shè)計需求），PHY輸出信號送到100米甚至更長的地方會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)境不同會導致雙方的0V電平不一致，這樣信號從A傳到B，由于A設(shè)備的0V電平和B點的0V電平不一樣，這樣可能會導致很大的電流從電勢高的設(shè)備流向電勢低的設(shè)備

3、。 網(wǎng)絡(luò)變壓器把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，并且通過電磁場的轉(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，隔斷了信號中的直流分量，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)計為耐2KV3KV的電壓的。也起到了防雷保護作用。有些朋友的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在雷雨天氣時容易被燒壞，大都是PCB設(shè)計不合理造成的，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線是以雙螺旋形結(jié)構(gòu)相互纏繞著。流過每根導線的電流所產(chǎn)

4、生的磁場受螺旋形的制約。流過雙絞線中每一根導線的電流方向,決定每對導線發(fā)射噪音的程度。在每對導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對差模信號而言,它在每一根導線上的電流是以相反方向在一對導線上傳送。如果這一對導線是均勻的纏繞,這些相反的電流就會產(chǎn)生大小相等,反向極化的磁場,使它的輸出互相抵消。在無屏蔽雙絞線系統(tǒng)中的差模信號如圖2所示圖2：無屏蔽雙絞線中的差模信號在無屏蔽雙絞線中,不含噪音的差模信號不產(chǎn)生射頻干擾。 2. 雙絞線中的共模信號共模電流在兩根導線上以相同方向流動,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,它們的輸出不能相互抵消。如圖6所示,共模電流在對絞線的表面產(chǎn)生一個電磁場,它的作用正如天線一樣。圖3：無屏蔽雙絞線中的共模信號在無屏蔽對絞線中,共模信號產(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電纜上產(chǎn)生的輻射噪音和傳導噪音兩大類。這兩大類中又分為共模噪音和差模噪音兩種。差模傳導噪音是電子設(shè)備內(nèi)部噪音電壓產(chǎn)生的與信號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電纜中的信號電流環(huán)路所產(chǎn)生的輻射。這種噪音產(chǎn)生的電場強度與電纜到觀測點的距離成反比,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輸入端加LC低通濾波器阻止噪音電流流進電纜;使用屏蔽電纜或扁平電纜,在相鄰的導線中傳輸回流電流和信號電流,使環(huán)路面積減小。共模傳導噪音是在設(shè)備內(nèi)噪音電壓的驅(qū)動下,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噪音的方法是在信號線或電源線中串聯(lián)共模扼流圈、在地與導線之間并聯(lián)電容器、組成LC濾波器進行濾波,濾去共模傳導噪聲。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線與地線同方向繞在鐵氧體磁芯上構(gòu)成的,它對線間流動的差模信號電流和電源電流阻抗很小,而對兩根導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)動下,從大地到電纜之間有共模電流流動而產(chǎn)生的。輻射的電場強度與電纜到觀測點的距離成反比,（當電纜長度比電流的波長短時）與頻率和電纜的長度成正比。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)動型的芯片，如圖8所示，當電流流經(jīng)共模電感的方向相同時，共模電感磁芯中并沒有磁力線相互抵消，此時共模電感的阻抗阻礙電流的變化，進而影響到正常工作的信號。圖8：兩線共模電感用于電流驅(qū)動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)動型的芯片，而且只需要兩個磁芯，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好處，就是對于地上的

9、共模噪聲有很好的抑制作用，如圖12，當?shù)卦肼暿枪材Ｔ磿r，電流同向經(jīng)過3個線圈，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和次級繞組之間傳送電能。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,因為共模電流在變壓器繞組兩端的電位差為零,不能在變壓器繞組上產(chǎn)生磁場。實際變壓器初級和次級繞組之間有一個很小但不等于零的耦合電容CWW,見圖13。圖13：變壓器初級和次級之間的耦合電容這個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頻率來決定的。中間抽頭（Center Tap）中間抽頭主要有兩個作用：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信號提供直流偏置所以對于不同的問題頻率點，我們可以選擇不同的電容值以提供低阻抗返回路徑。對于不同芯片和不同PCB，此容值選擇多少可以達到效果，需實際嘗試，但有一點可以確定，此電容對網(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)口任意兩隊差分信號間150ohm的阻抗匹配；可以對共模信號提供一個回流路徑。

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)時的電路此時匹配電阻不是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。針對不同的問題頻率點還可以適當?shù)蛘娐分须娙莸娜葜怠Ｆ渥饔门c中心抽頭電容類似，但因為其路徑上有75ohm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。小的話對于變壓器信號沒有影響，過大則為共模電流提供低阻抗路徑，由此會產(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，初級和次級線圈匝數(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是未插變壓器時輸出端電平。此參量用以衡量插入變壓器后對傳輸信號的影響，越小越好。一般指網(wǎng)絡(luò)變壓器對信號衰減程度與信號頻率之間的關(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頻率之間的關(guān)系曲線Return Loss=20Xlog(Vr/Vi)，其中Vr為反射信號幅度，Vi為入射信號幅度8. 交越干擾

14、dB：Cross Talk，兩個單元電路中的一個單元電路中的信號V1與感應(yīng)到另一個單元電路中的信號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幅度Vin與輸出端的共模干擾信號幅度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，中間都會加一個網(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，電源值又可以不一樣，3.3V，2.5V，1.8V都有。這個變壓器的作用到底是什么呢？A：下面是一個大概的解答：1、中間抽頭為什么有些接電源？有些接地？這個主要是與使用的PHY芯片UTP口驅(qū)動類型決定的，這種驅(qū)動類型有兩種，電壓驅(qū)動和電流驅(qū)動。電壓驅(qū)動的就要接電源；電流驅(qū)動的就直接接個電容到地即可！所以對于不同的芯片，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)計了。2、為什么接電源時，又接不同的電壓呢？這個也是所使用的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，而且當接到不同電平網(wǎng)口時，也