网络变压器的作用

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1、网络变压器的作用、原理及主要参数前言 图1所示的网络变压器（Ethernet Transformer,也称数据汞/网络隔离变压器）模块是网 卡电路中不可或缺的部分，它主要包含中间抽头电容、变压器、自耦变 压器、共模电感。 该变压器一般都安装在网卡的输入端附近。工作时，由收发器 送出的上行数据信号从络变 压器的 Pin16-Pin15 进入，由 Pin10-Pin11 输出，经 RJ45 型转接头，再通过非屏蔽双绞线 送往服务器;服务器送来的下行数据信号经 另一对非屏蔽双绞线和 RJ45 型转接头，由 Pin7-Pin6 进入，由 Pin1-Pin2 输出， 然后送到网卡的收发器上。本文将主要分

2、析网络变压器的原理、主要参数及实现的功能。Bob Smith电路共模电感中间抽头电容图1:网络变压器电路图Ethernet Transformer 主要实现以下三个功能：1.满足 IEEE 802.3 电气隔离要求2. 无失真传输以太网信号3. 辐射发射的抑制电气隔离任何 CMOS 制程的芯片工作的时候产生的信号电平总是大于 0V 的（取 决于芯 片的制程和设计需求）， PHY 输出信号送到 100 米甚至更长的地方会有很 大的直流分量的 损失。而且如果外部网线直接和芯片相连的话，电磁感应（打雷） 和静电，很容易造成芯片 的损坏。再就是设备接地方法不同， 电网环境不同会导致双方的 0V 电平不

3、一致， 这样 信号从A传到B,由于A设备的0V电平和B点的0V电平不一样，这样可能会导 致很大的电流从电势高的设备流向电势低的设备。网络变压器把 PHY 送出来的差分信号用差模耦合的线圈耦合滤波以增 强信号, 并且通过电磁场的转换耦合到连接网线的另外一端。这样不但使网线和 PHY 之间没有物理 上的连接而换传递了信号，隔断了信号中的直流分量，还可以在不同0V电平的设备中传 送数据。 网络变压器本身就是设计为耐 2KV3KV 的电压的。也起到了防雷保护 作用。 有些朋友的网络设备在雷雨天气时容易被烧坏，大都是 PCB 设计不合理 造成的，而且大 都烧毁了设备的接口，很少有芯片被烧毁的，就是变压器

4、起到了 保护作用。隔离变压器可满足 IEEE802.3 的绝缘要求，但不能抑制 EMI。共模抑制在双绞线中的每一根导线是以双螺旋形结构相互缠绕着。流过每根导线的电 流所 产生的磁场受螺旋形的制约。流过双绞线中每一根导线的电流方向,决定每 对导线发射噪音 的程度。 在每对导线上流过差模和共模电流所引起的发射程度是 不同的,差模电流引起的 噪音发射是较小的,所以噪音主要是由共模电流决定。1. 双绞线中的差模信号 对差模信号而言,它在每一根导线上的电流是以相反方向在一对导线上传 送。如果这一对导 线是均匀的缠绕 ,这些相反的电流就会产生大小相等 ,反向极化 的磁场,使它的输出互相抵 消。在无屏蔽双绞

5、线系统中的差模信号如图 2 所示 此主题相关图片如下：02无屏蔽双绞线中的差模信号.jpg 在无屏蔽双绞线中,不含噪音的差模信号不产生射频干扰。2. 双绞线中的共模信号 共模电流在两根导线上以相同方向流动,并经过寄生电容 Cp 到地返回 在这 种情况下,电流产生大小相等极性相同的磁场,它们的输出不能相互抵消。 如图 6 所示,共模电流在对绞线的表面产生一个电磁场 ,它的作用正如天线一 样。此主题相关图片如下：图3：无屏蔽双绞线中的共模信号03无屏蔽双绞线中的共模信号.jpg 在无屏蔽对绞线中,共模信号产生射频干扰。3. 共模、差模噪音及其 EMC 电缆上噪音有从电源电缆和信号电缆上产生的辐射噪

6、音和传导噪音两大类。 这 两大类中又分为共模噪音和差模噪音两种。 差模传导噪音是电子设备内部噪音 电压产生的与信号电流或电源电流相同路径的噪音电流,如图 4 所示。减小这种 噪音的方法是在信号线和电源线上串联差模扼流圈、 并联电容或用电容和电感 组 成低通滤波器,来减小高频的噪音,如图 5 所示。此主题相关图片如下：04差模噪声.jpg此主题相关图片如下：图5：差模噪声的抑制05差模噪声的抑制.jpg差模辐射噪音是图 4 电缆中的信号电流环路所产生的辐射。 这种噪音 产生的 电场强度与电缆到观测点的距离成反比,与频率的平方成正比,与电流和 电流环路 的面积成正比。 因此,减小这种辐射的方法是在

7、信号输入端加 LC 低 通滤波器阻止 噪音电流流进电缆;使用屏蔽电缆或扁平电缆,在相邻的导线中传 输回流电流和信 号电流,使环路面积减小。共模传导噪音是在设备内噪音电压的驱动下,经过大地与设备之间的寄生 电 容,在大地与电缆之间流动的噪音电流产生的,如图 6 所示。 此主题相关图片如下：06共模噪声.jpgn丸二二图6：共模噪声减小共模传导噪音的方法是在信号线或电源线中串联共模扼流圈、 在 地与导 线之间并联电容器、组成 LC 滤波器进行滤波,滤去共模传导噪声。其电 路如图 7 所示。此主题相关图片如下：07共模噪声的抑制.jpg共模扼流圈是将信号线与地线同方向绕在铁氧体磁芯上构成的 ,它对线

8、 间流 动的差模信号电流和电源电流阻抗很小 ,而对两根导线与地之间流过的共 模电流 阻抗则很大。共模辐射噪音是由于电缆端口上有共模电压,在其驱动下, 从大地到 电缆之间有共模电流流动而产生的。辐射的电场强度与电缆到观测点 的距离成反 比,（当电缆长度比电流的波长短时 ）与频率和电缆的长度成正比。 减小这种辐射的 方法有： 通过在线路板上使用地线面来降低地线阻抗,在电缆 的端口处使用 LC 低 通滤波器或共模扼流圈。另外,尽量缩短电缆的长度和使用 屏蔽电缆也能减小辐 射。网络变压器中集成的共模电感可有效抑制共模电流引起的 EMI 问题， 但需 要特别注意共模电感的位置，如果放在芯片侧，则不适合于

9、电流驱动型的 芯片， 如图 8 所示， 当电流流经共模电感的方向相同时， 共模电感磁芯中并 没有磁力线 相互抵消，此时共模电感的阻抗阻碍电流的变化，进而影响到正常 工作的信号。此主题相关图片如下：图&两线共模电感用于电流岖动型的芯片共棋电岁变压裁丄一08两线共模电感用于电流驱动型的芯片.jpg 如果放在电缆侧，为保证 Bob Smith 电路的匹配作用，需要再增加一个自 耦变 压器，如图 9。此主题相关图片如下：THI-芯片曲tin*变斥誥T 电 Vtl丿 |jHHffc4S尸气闵-吋彎的硕y ooo / i- K电/Wt电矶图9：自耦变压器的作用09自耦变压器的作用.jpg此主题相关图片如下

10、：7CT3 7TO3* 8I8MTT317 MX ALJTD4 9l6MXyTCT4 10TIM* IIHM 121CTIXTI5MCT414MX4i3XfX4-图10： MNC2401GS网络变压器（V211使用）10mnc2401gs网络变压器.jpg 以上方案需要多增加一个磁芯，所以目前应用更多的是使用三线共模电 感，如图 11。此种方案既可以适用于电流驱动型的芯片，而且只需要两个磁芯， 减 少了成本。此主题相关图片如下：11三线共模电感的作用.jpg图 11 所示的方案还有一个好处，就是对于地上的共模噪声有很好的抑 制作用 如图 12，图13：变压器初级和次级之间的耦合电容当地噪声是共

11、模源时，电流同向经过 3 个线圈，共模阻抗较 大，起到抑制共模噪声的作用。此主题相关图片如下：13变压器初级和次级之间的耦合电容.jpg （12.13的图片应该有张是的） 变压器与噪音传导理想变压器理论上是完美的电路元件,它能用完美的磁耦合在初级和次 级绕 组之间传送电能。理想变压器只能传送交变的差模电流。它不能传送共模 电流, 因为共模电流在变压器绕组两端的电位差为零,不能在变压器绕组上产生 磁场。实际变压器初级和次级绕组之间有一个很小但不等于零的耦合电容 CWW, 见图 13。此主题相关图片如下：13变压器初级和次级之间的耦合电容.jpg 这个电容是绕组之间存在非电介质和物理间隙所产生的。

12、增加绕组之间的空 隙 和用低介电常数的材料填满绕组之间的空间就能减小绕组之间电容的数值。 电 容 Cww 为共模电流提供一条穿过变压器的通道 ,其阻抗是由电容量的大小和信 号频率来决定的。中间抽头（Cen ter Tap）中间抽头主要有两个作用：1. 为共模电流提供低阻抗路径，降低共模电流/电压（同 Choke 作用）2. 为 Transceiver 中 Rx/Tx 信号提供直流偏置 所以对于不同的问题频率点， 我们可以选择不同的电容值以提供低阻抗返回路径。对于不同芯片和不同PCB，此容值选择多少可以达到效果，需实 际尝试， 但有一点可以确定，此电容对网口辐射发射有着很大影响 Bob Smit

13、h 电路此电路有两种功能：提供网口任意两队差分信号间 150ohm 的阻抗匹配;可 以对共模信号提供一个回流路径。考虑到第一种功能， 我们就可以清楚看到为什么共模电感放在电缆侧 时不能 满足 Bob smith 电路的匹配 要求，如图 14 所示：Bob Smitb Circuit共棋噪丙不能够绕过 共模电感到线缆侧图14：共模电感位于电缆侧时的电路芯片侧线缆侧此主题相关图片如下：14共模电感位于电缆侧时的电路.jpg此时匹配电阻不是150ohm，而变成Z=2X75+2XZcmc，不能满足其阻 抗匹 配要求，所以两线共模电感不能放在电缆侧，如果放在电缆侧，则需要额 外增加 一个自耦变压器。考虑

14、第二种功能，它所能提供的阻抗： 要想在较宽频率范围内获得低阻抗，需要控制连线阻抗，保证Bobsmith 电路的低阻抗连接。针对不同的问题频率点还可以适当凋整电路中 电容的容值。 其作用与中心抽头电容类似，但因为其路径上有 75ohm 的串联电 阻，并且此电容为高压电容，容值很难选得很大，所以其对网口辐射发射的影响 并没有中心抽 头那么明显，但也是我们可以调整解决网口问题的一个方面。主要参数图 15 是变压器等效电路图，图 16 为 MNC H1606DG 产品的主要参数表， 其中 涉及的主要参数有此主题相关图片如下：15变压器等效电缆.jpg图15：变压器等效电路1. 开路电感（OCL） ：

15、Open Circuit Induetance，图 15 中的2. 漏电感：Leakage Induetance，图15中的、，与变压器耦合系数 有关， (取决于绕线技术和磁芯)3. 互绕电容：Interwinding Capacitance，图 15 中 C12 是也。小的 话对于 变压器信号没有影响，过大则为共模电流提供低阻抗路径，由此会产生 不利效果4. 直流阻抗： DC Resistance 图 15 中 RL1、 RL25. 变压器变压比：Turn Ratio,初级和次级线圈匝数比6. 插入损耗 dB： Insertion Loss=20Xlog(Vl/V2)，其中 VI 为插入变 压器后 输出端的电平， V2 是未插变压器时输出端电平。此参量用以衡量插入变 压器后 对传输信号的影响，越小越好。一般指网络变压器对信号衰减程度与信 号频率之 间的关系曲线7. 回波损耗dB： Ret urn Loss，衡量插入网络变压器后系统阻抗失配 程度与信号频率之间的关系曲线Re turn Loss=20Xlog(Vr/Vi)，其中Vr为反 射信号幅 度， Vi 为入射信号幅度