网口变压器简介

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1、2010-5-252010-5-252010-5-252010-5-251 1 1 1网口变压器简介差模传输特性（功能性特性）共模传输特性（EMI抑制特性）刘荣方2010.05.252010-5-252010-5-252010-5-252010-5-252 2 2 2简介以太网设备在收发器和网线间使用变压器，其包含中 心抽头变压器，自耦变压器，共模电感。最新的以太 网设备通过变压器提供48V电源，采用集成连接器，应 用越来越广泛。这些器件的特性对于EMI的抑制很关键。不可能通过变压器的data sheet判断变压器的特性。可 以使用网络分析仪测试，但要注意系统性能是不同 的，如果不了解系统的特

2、性，不能完全判断变压器的 特性。并且测试方法也没有一定的标准。本文解释那些影响以太网变压器EMI性能的主要参数， 在通常配置下，需要一个bench-level测试方法来测试 变压器特性。2010-5-252010-5-252010-5-252010-5-253 3 3 3简介以太网变压器的功能：满足IEEE 802.3中电气隔离的要求不失真的传输以太网信号EMI抑制： EMI特性直接与CM特性相关； 相关信息不会出现在data sheet中； 结构中寄生参数有明显的影响； 手工绕线影响共模性能的一致性； 封装中的布线很重要； 封装尺寸及HV的要求限制了一些可能的选择； 价格方面的考虑。2010

3、-5-252010-5-252010-5-252010-5-254 4 4 4简介变压器的构成：脉冲（隔离）变压器共模电感自耦变压器电容电阻封装/结构（集成变压器中的连接器管脚和走线）2010-5-252010-5-252010-5-252010-5-255 5 5 5简介典型的以太网口电路2010-5-252010-5-252010-5-252010-5-256 6 6 6差模传输特性2010-5-252010-5-252010-5-252010-5-257 7 7 7差模传输特性主要考虑差模参数。频率范围考虑从1MHz到 100MHz（CAT5E）和250MHz（CAT6）需要一些理想的假

4、设简化初始的分析： 假设磁导率足够大可认为是无穷大 磁芯的此话足够小可认为是0 忽略磁芯损耗 忽略绕线电阻 所有磁力线都在绕线内（即没有漏磁） 忽略绕线间的电容2010-5-252010-5-252010-5-252010-5-258 8 8 8差模传输特性法拉第定律，闭合环路的感应电动势与磁力线随 时间的变化率成比例。理想变压器电压，电流和变比之间的关系2010-5-252010-5-252010-5-252010-5-259 9 9 9差模传输特性环形磁芯上的自感和互感R2 R2 R2 R2 2010-5-252010-5-252010-5-252010-5-2510101010差模传输特

5、性变压器的线路符号阻抗的转换2010-5-252010-5-252010-5-252010-5-2511111111差模传输特性磁芯的磁化和饱和2010-5-252010-5-252010-5-252010-5-2512121212非理想参数有限的磁导率2010-5-252010-5-252010-5-252010-5-2513131313非理想参数磁芯损耗：磁滞现象和涡旋电流损耗可以 用图中与线圈并联的电阻RCL表示。降低 磁芯损耗可以通过采用高电阻系数材料 （如铁氧体材料）和采用薄板磁芯阻止涡 旋电流的流动。2010-5-252010-5-252010-5-252010-5-2514141

6、414非理想参数绕线电阻漏磁：磁力线不能在两个线圈中完全耦合， 可以用一个耦合系数k来描述，0k1。漏 磁和绕线技术和磁芯形状有关。2010-5-252010-5-252010-5-252010-5-2515151515非理想参数分布电容：绕线和磁芯之间的耦合，相邻绕线间的耦合线圈间电容：初级和次级线圈间的电容，容值足够小，对 于正常差模信号没有影响，对于无意的共模信号有足够低 的阻抗，会明显影响EMI相关特性。2010-5-252010-5-252010-5-252010-5-2516161616非理想参数变压器等效电路2010-5-252010-5-252010-5-252010-5-25

7、17171717频率响应降低磁化和泄露电感和分布电容可以增加频 率范围降低磁芯损耗和绕线电阻可以降低插入损耗2010-5-252010-5-252010-5-252010-5-2518181818频率响应脉冲上升的时域响应如右图并联的磁化电感LM对于上升 沿有很大的阻抗，可以忽略响应曲线是指数阻尼振荡下 降振荡幅值和阻尼系数决定于 LL，CD，R2。（假设源阻抗 可以忽略）2010-5-252010-5-252010-5-252010-5-2519191919频率响应脉冲峰值的响应曲线如右 图响应主要决定于磁化电感 和负载阻抗R2漏感远小于磁化电感，可 以忽略分布电容可以忽略，因为 电流不经过

8、此电容负载电压随时间指数降低2010-5-252010-5-252010-5-252010-5-2520202020频率响应漏感远小于磁化电感，可 以忽略响应曲线是指数阻尼振荡 下降振荡幅值和阻尼系数决定 于磁化电感，分布电容和 负载阻抗。2010-5-252010-5-252010-5-252010-5-2521212121频率响应2010-5-252010-5-252010-5-252010-5-2522222222共模传输特性2010-5-252010-5-252010-5-252010-5-2523232323理想中心抽头变压器理想中心抽头的变压器，所有的共模电流 通过中心抽头返回到源

9、。中心抽头作用：通过提供差分线上共模噪声的低阻抗回流路径，降 低线缆上共模电流和共模电压。对于某些收发器提供一个直流偏置电压或功率源2010-5-252010-5-252010-5-252010-5-2524242424非理想中心抽头变压如图，LCT，L，C12降低了共模衰减。L产生了 差模共模转换因为LCT + L0，所以中心抽头上存在共模电 压。共模电压在线缆上驱动共模电流，产生辐射。2010-5-252010-5-252010-5-252010-5-2525252525共模电感对有意差分信号的传输，以及对无意共模信号的抑制，如 图共模电感的符号和模型。分布电容CCMC降低高频共模电感 的

10、阻抗。有损铁氧体（软铁氧体）由于能量耗散是有好处 的。ZCMC是电阻性而非电抗性。LCMC和RCMC的高阻抗和 CCMC是相互制约的两个参数。2010-5-252010-5-252010-5-252010-5-2526262626变压器参数总结主要功能性（差分）参数：变比；磁化电感（开 路电感）；插入损耗；回返损耗（与所有差分参 数有关）影响差分参数的寄生参数：漏感；分布电容和初 次级线圈间电容影响共模噪声抑制的参数：中心抽头平衡度；中 心抽头和参考面之间串联阻抗（不平衡+中心抽 头电感+中心抽头电容）；初次级线圈间电容； 共模电感阻抗。2010-5-252010-5-252010-5-252

11、010-5-2527272727变压器共模特性共模抑制效能是各器件特性，寄生参数及相互影 响的综合结果不能仅通过data sheet中的电路图来判断抑制效 能，现在的data sheet对判断EMI抑制性能只有很 少的作用EMI性能的测试并不容易，需要特定的测试环境 及测试夹具。与其它滤波器一样，源和负载的共模阻抗及参考 面的阻抗对变压器的共模抑制都很关键。2010-5-252010-5-252010-5-252010-5-2528282828以太网线的传输模式理解以太网线的传输模式是理解变压器EMI抑制 功能的关键。典型的UTP（非屏蔽网线）和传导的环境（如传 导的GND）是一个多（9）导体

12、的传输线。有意 和无意信号同时传输。有意信号是信号对两线间 的差模信号。无意信号包括：信号对之间的共模 /差模混合信号。信号与环境间的共模信号2010-5-252010-5-252010-5-252010-5-2529292929以太网线的传输模式传输模式的图示2010-5-252010-5-252010-5-252010-5-2530303030各传输模式和EMI间的关系信号对两线间的差模信号：相反的电流相互抵 消，电场抵消，低EMI问题。信号对之间的共模/差模混合信号：与真正的共 模信号不同，它的传输也在线缆内部，所以也不 是影响EMI的主要信号。信号与环境间的共模信号主要的EMI源：传

13、输发生在线缆和周围环境间，最容易引起EMI问 题。所以变压器主要的EMI抑制功能就是减少这 部分的噪声。2010-5-252010-5-252010-5-252010-5-2531313131差分模式不是EMI直接的原因也是辐射的源，通过一些转换机制，将一部分差 模信号转换成共模信号保持信号线的平衡，对称，阻抗匹配以及合理端 接是非常重要的。例如，只有几pF的不平衡就会 引起很明显的差模共模转换，增加串扰和 EMI问题。2010-5-252010-5-252010-5-252010-5-2532323232混合差模/共模模式采用75ohm端接电阻，如图。此电阻提供差分线对之间150ohm的端接

14、，主要 用于混合模式信号的阻抗匹配。高压电容CHV将 线缆终端连接到GND改善EMI。由于有电阻，接 线电感以及其它的限制，这并不是一个接地的低 阻抗路径。2010-5-252010-5-252010-5-252010-5-2533333333共模信号是引起EMI的最直接原因，产生的原因包括：不平衡（阻抗，幅值，时间，dv/dt）串扰非理参考面（地弹，参考面与机壳间的射频电压）2010-5-252010-5-252010-5-252010-5-253434343475ohm端接的共模阻抗对于EMI的改善，最好在线缆的终端通过一个低 阻抗直接连接到机壳上。75ohm端接对于共模信号是否是一个低阻

15、抗？75ohm端接对于阻抗匹配更好还是对于共模抑制 更好？2010-5-252010-5-252010-5-252010-5-2535353535一般变压器的配置两线共模电感位于PHY侧： 这种配置不适于电流驱动 型的收发器，这种类型的 收发器TX输出功率是由中 心抽头处连接的电源提供 的，后边详细介绍。需要注意GND0V2010-5-252010-5-252010-5-252010-5-2536363636一对线的共模模式简化图2010-5-252010-5-252010-5-252010-5-2537373737共模模式的参数ZCMC：共模电感的阻抗，通过对共模电流提供高阻抗 抑制EMI，

16、设计目的是获得最大的LCMC和RCMC。CCMC：共模电感的分布电容，减弱共模电感的高频 性能。可以通过减小线圈间的重合减小此电容容值， 特别是整个线圈两端之间的距离。靠近传导的结构也 会明显影响这个电容的容值。2010-5-252010-5-252010-5-252010-5-2538383838共模模式的参数典型的共模电感阻抗是磁芯 材料， 形状，绕线圈数和 CCMC的函数。为了在特定频 率范围获得高的阻抗，在其 它频段一般会有低的阻抗。共模阻抗会随着磁饱和而降 低，这在以下两种情况中特 别重要： 一是有POE功能时，直流电流会使 磁芯饱和 二是暴露的UTP耦合到强电压和电 流，如暴露在高强度的EMI下。2010-5-252010-5-252010-5-252010-5-2539393939共模模式的参数不平衡的中心抽头（PHY侧）：用L1来描述线圈两边的 不平衡。对于理想变压器，中心抽头