Ethernet Transformer网路变压器作用原理及主要参数文档格式.docx

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而且如果外部網線直接和晶片相連的話，電磁感應（打雷）和靜電，很容易造成晶片的損壞。

再就是設備接地方法不同，電網環境不同會導致雙方的0V電平不一致，這樣信號從A傳到B，由於A設備的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備流向電勢低的設備。

網路變壓器把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，並且通過電磁場的轉換耦合到連接網線的另外一端。

這樣不但使網線和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電平的設備中傳送資料。

網路變壓器本身就是設計爲耐2KV~3KV的電壓的。

也起到了防雷保護作用。

有些朋友的網路設備在雷雨天氣時容易被燒壞，大都是PCB設計不合理造成的，而且大都燒毀了設備的介面，很少有晶片被燒毀的，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構相互纏繞著。

流過每根導線的電流所産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射程度是不同的,差模電流引起的噪音發射是較小的,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産生大小相等,反向極化的磁場,使它的輸出互相抵消。

在無遮罩雙絞線系統中的差模信號如圖2所示

圖2：

無遮罩雙絞線中的差模信號

在無遮罩雙絞線中,不含噪音的差模信號不産生射頻干擾。

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,並經過寄生電容Cp到地返回。

在這種情況下,電流産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産生一個電磁場,它的作用正如天線一樣。

圖3：

無遮罩雙絞線中的共模信號

在無遮罩對絞線中,共模信號産生射頻干擾。

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産生的輻射噪音和傳導噪音兩大類。

這兩大類中又分爲共模噪音和差模噪音兩種。

差模傳導噪音是電子設備內部噪音電壓産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差模扼流圈、並聯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：

差模雜訊

圖5：

差模雜訊的抑制

差模輻射噪音是圖4電纜中的信號電流環路所産生的輻射。

這種噪音産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;

使用遮罩電纜或扁平電纜,在相鄰的導線中傳輸回流電流和信號電流,使環路面積減小。

共模傳導噪音是在設備內噪音電壓的驅動下,經過大地與設備之間的寄生電容,在大地與電纜之間流動的噪音電流産生的,如圖6所示。

圖6：

共模雜訊

減小共模傳導噪音的方法是在信號線或電源線中串聯共模扼流圈、在地與導線之間並聯電容器、組成LC濾波器進行濾波,濾去共模傳導雜訊。

其電路如圖7所示。

圖7：

共模雜訊的抑制

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。

共模輻射噪音是由於電纜埠上有共模電壓,在其驅動下,從大地到電纜之間有共模電流流動而産生的。

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,在電纜的埠處使用LC低通濾波器或共模扼流圈。

另外,儘量縮短電纜的長度和使用遮罩電纜也能減小輻射。

網路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，如果放在晶片側，則不適合於電流驅動型的晶片，如圖8所示，當電流流經共模電感的方向相同時，共模電感磁芯中並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：

兩線共模電感用於電流驅動型的晶片

如果放在電纜側，爲保證BobSmith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網路變壓器（V211使用）

以上方案需要多增加一個磁芯，所以目前應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於電流驅動型的晶片，而且只需要兩個磁芯，減少了成本。

圖11：

三線共模電感的應用

圖11所示的方案還有一個好處，就是對於地上的共模雜訊有很好的抑制作用，如圖12，當地雜訊是共模源時，電流同向經過3個線圈，共模阻抗較大，起到抑制共模雜訊的作用。

圖12：

三線共模電感抑制地雜訊

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,因爲共模電流在變壓器繞組兩端的電位差爲零,不能在變壓器繞組上産生磁場。

實際變壓器初級和次級繞組之間有一個很小但不等於零的耦合電容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和物理間隙所産生的。

增加繞組之間的空隙和用低介電常數的材料填滿繞組之間的空間就能減小繞組之間電容的數值。

電容Cww爲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（CenterTap）

中間抽頭主要有兩個作用：

1.爲共模電流提供低阻抗路徑，降低共模電流/電壓（同Choke作用）

2.爲Transceiver中Rx/Tx信號提供直流偏置

所以對於不同的問題頻率點，我們可以選擇不同的電容值以提供低阻抗返回路徑。

對於不同晶片和不同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，此電容對網口輻射發射有著很大影響。

BobSmith電路

此電路有兩種功能：

提供網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。

考慮到第一種功能，我們就可以清楚看到爲什么共模電感放在電纜側時不能滿足Bobsmith電路的匹配要求，如圖14所示：

圖14：

共模電感位於電纜側時的電路

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，如果放在電纜側，則需要額外增加一個自耦變壓器。

考慮第二種功能，它所能提供的阻抗：

要想在較寬頻率範圍內獲得低阻抗，需要控制連線阻抗，保證Bob—smith電路的低阻抗連接。

針對不同的問題頻率點還可以適當凋整電路中電容的容值。

其作用與中心抽頭電容類似，但因爲其路徑上有75ohm的串聯電阻，並且此電容爲高壓電容，容值很難選得很大，所以其對網口輻射發射的影響並沒有中心抽頭那么明顯，但也是我們可以調整解決網口問題的一個方面。

主要參數

圖15是變壓器等效電路圖，圖16爲MNCH1606DG産品的主要參數表，其中涉及的主要參數有

圖15：

變壓器等效電路

1.開路電感（OCL）：

OpenCircuitInductance，圖15中的

2.漏電感：

LeakageInductance，圖15中的

、

，與變壓器耦合係數

有關，

（取決於繞線技術和磁芯）

3.互繞電容：

InterwindingCapacitance，圖15中C12是也。

小的話對於變壓器信號沒有影響，過大則爲共模電流提供低阻抗路徑，由此會産生不利效果

4.直流阻抗：

DCResistance圖15中RL1、RL2

5.變壓器變壓比：

TurnRatio，初級和次級線圈匝數比

6.插入損耗dB：

InsertionLoss=20Xlog（V1/V2），其中V1爲插入變壓器後輸出端的電平，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後對傳輸信號的影響，越小越好。

一般指網路變壓器對信號衰減程度與信號頻率之間的關係曲線

7.回波損耗dB：

ReturnLoss，衡量插入網路變壓器後系統阻抗失配程度與信號頻率之間的關係曲線ReturnLoss=20Xlog（Vr/Vi），其中Vr爲反射信號幅度，Vi爲入射信號幅度

8.交越干擾dB：

CrossTalk，兩個單元電路中的一個單元電路中的信號V1與感應到另一個單元電路中的信號V2之比值CrossTalk=20Xlog（V2/V1）

9.共模抑制比dB：

CMRR=20Xlog（Vout/Vin），網路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：

IsolationHOT-POT，電氣隔離電平

圖16：

MNCH1606DG參數表

TBD

關於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），網上有以下一段Q&

A：

Q：

在乙太網設備中，通過PHY接RJ45時，中間都會加一個網路變壓器。

有的變壓器中心抽頭接電源，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？

下面是一個大概的解答：

1、中間抽頭爲什么有些接電源？

有些接地？

這個主要是與使用的PHY晶片UTP口驅動類型決定的，這種驅動類型有兩種，電壓驅動和電流驅動。

電壓驅動的就要接電源；

電流驅動的就直接接個電容到地即可！

所以對於不同的晶片，中心抽頭的接法，與PHY是有密切關係的，具體還要參看晶片的datasheet和參考設計了。

2、爲什么接電源時，又接不同的電壓呢？

這個也是所使用的PHY晶片資料裏規定的UTP埠電平決定的。

決定的什么電平，就得接相應的電壓了。

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口時，也會有影響。

而且外部對晶片的干擾也很大。

當接了網路變壓器後，它主要用於信號電平耦合。

其一，可以增強信號，使其傳輸距離更遠；

其二，使晶片端與外部隔離，抗干擾能力大大增強，而且對晶片增加了很大的保護作用（如雷擊）；

其三，當接到不同電平（如有的PHY晶片是2.5V，有的PHY晶片是3.3V）的網口時，不會對彼此設備造成影響。

總的來說，網路變壓器主要有信號傳輸、阻抗匹配、波形修復、信號雜波抑制和高電壓隔離等作用。