rj45網(wǎng)口變壓器工作原理與設計指南

1、2024/3/18,1,網(wǎng)口變壓器,簡介差模傳輸特性（功能性特性）共模傳輸特性（EMI抑制特性）,2024/3/18,2,簡介,以太網(wǎng)設備在收發(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)設備通過變壓器提供48V電源，采用集成連接器，應用越來越廣泛。這些器件的特性對于EMI的抑制很關鍵。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)絡分析儀測試，但要注意系統(tǒng)性能是不同的，如果不

2、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準。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bench-level測試方法來測試變壓器特性。,2024/3/18,3,簡介,以太網(wǎng)變壓器的功能：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EMI抑制：EMI特性直接與CM特性相關；相關信息不會出現(xiàn)在data sheet中；結構中寄生參數(shù)有明顯的影響；手工繞

3、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；價格方面的考慮。,2024/3/18,4,簡介,變壓器的構成：脈沖（隔離）變壓器共模電感自耦變壓器電容電阻封裝/結構（集成變壓器中的連接器管腳和走線）,2024/3/18,5,簡介,典型的以太網(wǎng)口電路,2024/3/18,6,差模傳輸特性,2024/3/18,7,差模傳輸特性,主要考慮差模參數(shù)。頻率范圍考慮從1MHz到100MHz

4、（CAT5E）和250MHz（CAT6）需要一些理想的假設簡化初始的分析：假設磁導率足夠大可認為是無窮大磁芯的此話足夠小可認為是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,2024/3/18,8,差模傳輸特性,法拉第定律，閉合環(huán)路的感應電動勢與磁力線隨時間的變化率成比例。理想變壓器電壓，電流和變比之間的關系,2024/3/18,9,差模傳輸特性,環(huán)形磁芯上的自感和互感,R2,202

5、4/3/18,10,差模傳輸特性,變壓器的線路符號阻抗的轉(zhuǎn)換,2024/3/18,11,差模傳輸特性,磁芯的磁化和飽和,2024/3/18,12,非理想?yún)?shù),有限的磁導率,2024/3/18,13,非理想?yún)?shù),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。,2024/3/18,14,非理想?yún)?shù),繞線電阻漏磁：

6、磁力線不能在兩個線圈中完全耦合，可以用一個耦合系數(shù)k來描述，0<k<1。漏磁和繞線技術和磁芯形狀有關。,2024/3/18,15,非理想?yún)?shù),分布電容：繞線和磁芯之間的耦合，相鄰繞線間的耦合線圈間電容：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相關特性。,2024/3/18,16,非理想?yún)?shù),變壓器等效電路,2024/3/18,17,頻率響應,降

7、低磁化和泄露電感和分布電容可以增加頻率范圍降低磁芯損耗和繞線電阻可以降低插入損耗,2024/3/18,18,頻率響應,脈沖上升的時域響應如右圖并聯(lián)的磁化電感LM對于上升沿有很大的阻抗，可以忽略響應曲線是指數(shù)阻尼振蕩下降振蕩幅值和阻尼系數(shù)決定于LL，CD，R2。（假設源阻抗可以忽略）,2024/3/18,19,頻率響應,脈沖峰值的響應曲線如右圖響應主要決定于磁化電感和負載阻抗R2漏感遠小于磁化電感，可以忽略分布電容可以忽略，

8、因為電流不經(jīng)過此電容負載電壓隨時間指數(shù)降低,2024/3/18,20,頻率響應,漏感遠小于磁化電感，可以忽略響應曲線是指數(shù)阻尼振蕩下降振蕩幅值和阻尼系數(shù)決定于磁化電感，分布電容和負載阻抗。,2024/3/18,21,頻率響應,2024/3/18,22,共模傳輸特性,2024/3/18,23,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：通過提供差分線上共模噪聲的低阻抗回流路徑，降低

9、線纜上共模電流和共模電壓。對于某些收發(fā)器提供一個直流偏置電壓或功率源,2024/3/18,24,非理想中心抽頭變壓,如圖，LCT，△L，C12降低了共模衰減?！鱈產(chǎn)生了差?！材＾D(zhuǎn)換因為LCT + △L≠0，所以中心抽頭上存在共模電壓。共模電壓在線纜上驅(qū)動共模電流，產(chǎn)生輻射。,2024/3/18,25,共模電感,對有意差分信號的傳輸，以及對無意共模信號的抑制，如圖共模電感的符號和模型。分布電容CCMC降低高頻共模

10、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是相互制約的兩個參數(shù)。,2024/3/18,26,變壓器參數(shù)總結,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）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

11、電容）；初次級線圈間電容；共模電感阻抗。,2024/3/18,27,變壓器共模特性,共模抑制效能是各器件特性，寄生參數(shù)及相互影響的綜合結果不能僅通過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EMI性能的測試并不容易，需要特定的測試環(huán)境及測試夾具。與其它濾波器一樣，源和負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鍵。,2024/3/18,28,以太網(wǎng)線的傳輸模式

12、,理解以太網(wǎng)線的傳輸模式是理解變壓器EMI抑制功能的關鍵。典型的UTP（非屏蔽網(wǎng)線）和傳導的環(huán)境（如傳導的GND）是一個多（9）導體的傳輸線。有意和無意信號同時傳輸。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?；旌闲盘?。信號與環(huán)境間的共模信號,2024/3/18,29,以太網(wǎng)線的傳輸模式,傳輸模式的圖示,2024/3/18,30,各傳輸模式和EMI間的關系,信號對兩線間的差模信號：相反的電流相互抵消，電場抵消

13、，低EMI問題。信號對之間的共模/差模混合信號：與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。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。,2024/3/18,31,差分模式,不是EMI直接的原因也是輻射的源，通過一些轉(zhuǎn)換機制，將一部分差模信號轉(zhuǎn)換成共模信號保持信號線的平衡，對稱，阻抗匹配以及合理端接

14、是非常重要的。例如，只有幾pF的不平衡就會引起很明顯的差?！材＾D(zhuǎn)換，增加串擾和EMI問題。,2024/3/18,32,混合差模/共模模式,采用75ohm端接電阻，如圖。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，這并不是一個接地的低阻抗路徑。,2024/3/18,33,共模信號,是引起EMI的最直接原因，產(chǎn)生的原因包括

15、：不平衡（阻抗，幅值，時間，dv/dt）串擾非理參考面（地彈，參考面與機殼間的射頻電壓）,2024/3/18,34,75ohm端接的共模阻抗,對于EMI的改善，最好在線纜的終端通過一個低阻抗直接連接到機殼上。75ohm端接對于共模信號是否是一個低阻抗？75ohm端接對于阻抗匹配更好還是對于共模抑制更好？,2024/3/18,35,一般變壓器的配置,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

16、輸出功率是由中心抽頭處連接的電源提供的，后邊詳細介紹。需要注意GND≠0V,2024/3/18,36,一對線的共模模式簡化圖,,2024/3/18,37,共模模式的參數(shù),ZCMC：共模電感的阻抗，通過對共模電流提供高阻抗抑制EMI，設計目的是獲得最大的LCMC和RCMC。CCMC：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，特別是整個線圈兩端之間的距離?？拷鼈鲗У慕Y構也會明顯影響這個電容的容值

17、。,2024/3/18,38,共模模式的參數(shù),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。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，直流電流會使磁芯飽和二是暴露的UTP耦合到強電壓和電流，如暴露在高強度的EMI下。,2024/3/18,39,共模模式的參數(shù),不平衡的中心抽頭（PHY側(cè)）：用△L1來描述線圈兩邊的不平

18、衡。對于理想變壓器，中心抽頭在線圈的中間， △L1 =0.中心抽頭不平衡產(chǎn)生的兩個影響：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。,2024/3/18,40,共模模式的參數(shù),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

19、能。此電感典型值是10nH,2024/3/18,41,共模模式的參數(shù),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。,2024/3/18,42,共模模式的參數(shù),初次級線圈間電容，為了消弱變壓器的共模傳輸性能，應該盡可能減小此電容容值。但不幸的是，在EMC所關心的頻率范圍內(nèi)，很難保證此容值

20、足夠小而提供有效地共模抑制。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。,2024/3/18,43,共模模式的參數(shù),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,2024/3/18,44,共模模式的參數(shù),高壓電容：四個端接電阻共用一個高壓電容，高耐壓的需求限制了固定封裝下容值的可選范圍，典型應用的電容是1nF/2000V的陶瓷電容。

21、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)中心抽頭連接處的阻抗。,2024/3/18,45,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：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共模電感和中心抽頭電容一起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。,2024/3/18,46,正確認識所謂的共模端接,關注線纜

22、側(cè)中心抽頭連接以及所謂的共模端接。在典型的以太網(wǎng)應用中，并沒有明顯的差模/共?；旌蟼鬏斈Ｊ降男盘柤钤础@種模式信號進行端接可能會影響EMI，但這種傳輸模式并不是EMI的主要源。所謂的共模端接并沒有端接真正的共模信號。此端接的效能主要決定于系統(tǒng)設計，不能簡單的認為此端接會提升EMI性能還是降低EMI性能。需要考慮如下兩點：一是成本和益處；二是有可能為共模噪聲提供一個繞過共模電感的路徑。,2024/3/18,47,正確認識所謂的

23、共模端接,高壓電容連接到噪聲源點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。,2024/3/18,48,電流驅(qū)動型PHY,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，當有意信號的瞬時電流走在其中一個線圈或者在兩個線圈中電流方向相同的時候，在磁芯中沒有磁力線抵消，此電感會對這個有意信號產(chǎn)生一個高阻抗，從而影響有意信號。,2024/3/18,49,電

24、流驅(qū)動型PHY,對于電流驅(qū)動型PHY，共模電感要放于線纜側(cè)，如下圖的應用。自耦變壓器用于混合模式的端接。,2024/3/18,50,自耦變壓器,有自耦變壓器的共模模式,2024/3/18,51,自耦變壓器,自耦變壓器的影響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增加寄生參數(shù)——漏感和寄生電容增加封裝和成本,2024/3/18,52,2線共模電感位于線纜側(cè),由于共模電感的存在，此時差模/共?；旌蟼鬏斈Ｊ蕉私硬皇?50o

25、hm，所以75ohm端接達不到該有的作用，此時需要選擇不同的端接電阻阻止或者不使用此75ohm端接。,2024/3/18,53,2線共模電感位于線纜側(cè),2線共模電感位于線纜側(cè)的總結節(jié)約成本可能提高共模性能不適合用于POE的情況（由于磁飽和）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。,2024/3/18,54,3線共模電感位于PHY側(cè),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

26、抵消，減小共模電感的阻抗，保證工作信號的正常。如右圖,2024/3/18,55,3線共模電感位于PHY側(cè),這種3線共模電感的結構對于差分線上共模噪聲同樣會有低阻抗，如圖,2024/3/18,56,3線共模電感位于PHY側(cè),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。,2024/3/18,57,3線共模電感位于PHY側(cè),3線共模電

27、感總結低成本，僅有2個線圈支持電流驅(qū)動型芯片對于只存在于差分線上的共模抑制效果差對于PCB參考上的共模噪聲效果好,2024/3/18,58,集成連接器,集成連接器模組（ICM），包含所有變壓器器件被廣泛應用，并且是不斷增加的趨勢?？赡茉趦r格和PCB成本上有優(yōu)勢，但在空間限制和設計靈活性方面有挑戰(zhàn)。EMI性能不知決定于內(nèi)部的器件，與ICM的結構有很大的關系。,2024/3/18,59,集成連接器,典型的ICM內(nèi)部圖，通過PCB

28、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端口。,2024/3/18,60,集成連接器,另外一種結構，8根管腳穿過PCB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。,2024/3/18,61,ICM中的共模耦合,差分線對通過變壓器兩端的中心抽頭連接在一起共用GND管腳器件緊密的放置于連接器內(nèi)部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。,2024/3

29、/18,62,ICM中的共模耦合,如下圖，共模抑制等于所有線對間最差的抑制情況不同線對間的共模-差模轉(zhuǎn)換的影響也很大,2024/3/18,63,POE功能,通過網(wǎng)線中的兩對線進行直流電源傳輸，一般是48V電源，電流可以到350mA，通過變壓器的中心抽頭輸入。POE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線路對線纜的噪聲耦合,2024/3/18,64,POE功能,典型POE集成連接器的線路圖推薦

30、在48V電路上使用2線共模電感需要直流電容A點處電容到機殼需要有低阻抗連接,2024/3/18,65,POE功能,POE中3線共模電感的使用是一個低成本的方案所有3線電感的相關考慮與之前相同在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,2024/3/18,66,POE功能,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)POE線路中的直流電流會導致共模電感的磁飽和，從而

31、降低共模電感的濾波效能,2024/3/18,67,ICM中的不平衡因素,連接器管腳的不平衡，包括管腳間電磁耦合的不平衡，走線長度不同引起的不平衡。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)換要遠大于中心抽頭不平衡引起的轉(zhuǎn)換。如果設計中進行考慮，可有效降低這種不平衡。,2024/3/18,68,連接器特性的測試,試驗方法可快速有效的測出EMI抑制特性需要系統(tǒng)級的測試需要設計與實際產(chǎn)品

32、環(huán)境相似的條件包含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。必要的測試夾具,2024/3/18,69,連接器特性的測試,兩種試驗測試方法網(wǎng)絡分析儀的共模-共模和共模-差模S參數(shù)的測試：4端口或3端口測試；測試夾具需要仔細設計，測試結果與夾具有很大關系，標準的夾具可以使測試可重復性并且有可比性。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用，可以與輻射和傳導發(fā)射直接相關。,

33、2024/3/18,70,連接器特性的測試,NA測試簡圖如右圖分離變壓器的夾具如下圖,2024/3/18,71,連接器特性的測試,集成連接器的測試夾具如下圖8PIN網(wǎng)口插頭與SMA接頭轉(zhuǎn)換夾具如下圖,2024/3/18,72,連接器特性的測試,集成連接器夾具下3端口NA測試設置,2024/3/18,73,連接器特性的測試,一個端口中4對線分別的共模-共模傳輸函數(shù)測試結果如下圖。其中一對線在以太網(wǎng)頻段內(nèi)有好的共模抑制性能。是因為

34、設計原因還是偶然因素？可以研究得到更好的設計。,2024/3/18,74,連接器特性的測試,以下測試結果是與上邊連接器有同樣線路圖，并且是同一個廠家， 只是不同樣品在不同時間的測試結果。可以看出，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？如果能夠注意到關鍵因素的影響是可以很好控制的。,2024/3/18,75,連接器特性的測試,一個端口中4對線分別的共模-差模傳輸函數(shù)測試結果如下圖。在1%不平衡的情況下最

35、差有-46dB的轉(zhuǎn)換。如果不進行有效的控制，很容易超過-40dB。,2024/3/18,76,連接器特性的測試,以下測試結果是與上邊連接器有同樣線路圖，并且是同一個廠家， 只是不同樣品在不同時間的測試結果?？梢钥闯?，線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？如果能夠注意到關鍵因素的影響是可以很好控制的。,2024/3/18,77,對實際測試的響應,可以將變壓器和夾具固定在一個機殼中模擬實際的產(chǎn)品，機殼暴

36、露在實際的RFI條件下，測試此時對PHY產(chǎn)生的影響。如圖,2024/3/18,78,對實際測試的響應,對輻射和傳導RFI耦合的抑制/轉(zhuǎn)換ESD/EFT/Surge通過變壓器后的轉(zhuǎn)換,2024/3/18,79,NA測試注意事項,PHY側(cè)的阻抗是50ohm，但線纜側(cè)的共模阻抗隨著線纜的形狀改變會明顯變化對所有濾波器，連接到參考面的質(zhì)量都很關鍵，并影響濾波器的特性。模擬實際的EMI條件，NA需要與夾具和機殼結合使用可以選擇

37、3端口或4端口NA測試同時在所有線對上加共模噪聲和只在一對線上加共模噪聲都要測試3端口測試簡單并模擬了線纜側(cè)真實的共模激勵4端口測試需要差模特性，測試更復雜并且更難共模噪聲,2024/3/18,80,其它可能的測試,回返損耗測試（阻抗匹配）變壓器的差模TDR特性測試完整通道特性測試：兩個PHY之間的所有傳輸特性，用線纜連接夾具上的兩個端口進行測試，如圖,2024/3/18,81,注意事項,正確選擇變壓器是很關鍵的，錯誤選擇很容

38、易導致EMC測試中的問題Data sheet中包含與功能相關的重要參數(shù)信息Data sheet中不包含EMI相關的特性變壓器是很復雜的器件，需要考慮系統(tǒng)的設計及眾多寄生的參數(shù)變壓器對于不同產(chǎn)品會進行不同的調(diào)整。對于不理想的走線可以通過系統(tǒng)設計和器件選擇進行彌補可制造性以及綜合因素限制變壓器的性能很多廠家提供的變壓器并不能達到所說的EMI抑制性能可以向廠家要求提供有更好EMI抑制特性的變壓器,2024/3/18,82,其它,