器件基础知识2.docx
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器件基础知识2
器件基础知识（2.4变压器）
2.4变压器
2.4.1基本概念
序号
变压器类别
基本概念
1
音频变压器
用于音频信号电压变换的变压器
2
工频变压器
一种用于50Hz/60Hz频信号变换的变压器
3
驱动变压器
一种传递控制信号的变压器
4
高频变压器
一种用于开关电源中的高频脉冲功率变压器
5
通讯网接口变压器
用于ISDN各接口的变压器
通讯网接口变压器完全属于OSI模型的物理层范畴，是一种广泛用于电讯网络设备、终端网卡等的变压器集成模块。
网络变压器的基本构成为隔离变压器，以完成网变的核心功能——信号隔离及变换。
但目前随着制造工艺和应用技术的发展，为提高传输距离、传输带宽或集成度，制造商们在基本隔离变压器的输入输出两侧，不断地增加新的功能单元（如无源带通滤波器、共模抑制、阻抗匹配、连接器等），组成网络变压器模块。
可见，网络变压器功能主要有：
隔离，电压变换，阻抗匹配。
实际变压器是含有铁损、铜损和漏磁等因素的变压器，可以用以下等效电路图来表示
图1.1
其中Rg=信号源内阻
Eg=信号源开路电压
Rp=初级直流电阻
Rs=次级直流电阻
RL=负载电阻
RC=磁芯电阻，表示磁芯损耗
Cp=初级分布电容
Cs=次级分布电容
Cps=绕组间电容
Lp=初级电感
Ls=次级电感
Lp1=初级漏感
Ls1=次级漏感
网络变压器的主要指标：
一般参数
•匝比：
，Np=初级匝数，Ns=次级匝数
是变压器的关键指标，决定信号变比和阻抗匹配关系。
•直流电阻：
绕组线圈的电阻。
引起损耗。
•分布电容：
线圈匝与匝之间具有的电容。
对谐振频率有影响。
•绕组间电容：
初级与次级之间具有的电容。
影响长距离传输耦合能力。
•初级/次级电感：
指初级/次级耦合到次级/初级的电感量。
•初级/次级漏感：
指初级/次级没有耦合到次级/初级的电感量。
对上升时间等传输参数造成影响。
从等效电路图中可以看到，低频时，电感量是决定应用下限频率的主要因素。
传输参数受Lp、Ls、Rc、Rp、Rs的影响。
高频时电容和漏感是决定应用上限频率的主要因素。
传输参数受Lp1、Ls1、Cp、Cs、Cps的影响。
主要传输参数
•上升时间（RT）：
指脉冲信号从10%上升到90%所需时间。
•ET（VOLT-SECONDPRODUCT）：
加在变压器初级的电压和电流达到线性值1.5倍的时间的乘积，反映了磁芯的易饱和程度。
•插入损耗：
指信号在变压器上的损耗，用输入输出功率之比来表征。
•回波损耗：
指变压器某绕组在其他绕组接上负载后出现的阻抗失配度，用输入和反射功率之比表征。
•共模抑制比：
对共模信号的抑制度。
用共模信号的输入输出比表征。
•串音衰减：
指不同信号通路之间的能量耦合度。
用传输电压和耦合电压之比表征。
潮湿敏感等级
与其他SMD器件一样，SMD网络变压器具有潮湿敏感等级。
如果不按照等级进行贮存和使用，器件受潮后，过回流焊时内部水汽膨胀，会出现爆米花现象，降低器件的工作可靠，甚至导致直接失效。
潮湿敏感2级以上的器件，必须有防潮包装，如真空袋。
拆封后要严格按照等级要求进行存贮。
目前我司的SMD网络变压器基本属于3级敏感器件（即，拆封后在≤30℃/60%RH的条件下，只能存放一周），少数属于4级敏感。
2.4.2分类
根据我司对通讯网接口变压器的实际使用情况及通信网的发展方向，我们可按应用分为：
（1）通信用变压器，包括
•T1/E1/CEPT/ISDN-PRI变压器：
用于T1/E1信号收发器的对外接口,进行信号隔离和变换，其内部构成比较基本。
这种使用广泛存在于公司的各个产品，是目前我司最大的用途；
•T3/DS3/E3/STS-1变压器
•ISDN-S口变压器
•ISDN-U口变压器
（2）网络用变压器，包括
•10BASE-T接口变压器用于10BASE-T以太网收发器的对外双绞线型接口,进行隔离和变换，部分内嵌有无源带通滤波、共模抑制、阻抗适配;
•100BASE-TX接口变压器:
用于100BASE-T高速以太网收发器的对外接口,进行隔离和变换，基本上内嵌有无源带通滤波、共模抑制。
这个应用方向应是将来的重要领域；
•155ATM网络变压器
•其他以太网变压器
2.4.3应用注意点
（一）T1/E1
选用时除了匝比等主要参数外，还需要考虑ET、平衡特性、共模抑制比、回损、串扰（多路变压器），另外还要考虑安全性能，如耐电压能力、易燃性等。
•初次级电感：
变压器的带宽决定于初次级的电感量。
一般电感量为1mH。
•ET：
ET定义了磁芯饱和所需的时间。
一般要求15V-μS。
•绕组间电容：
变压器的长距离传输能力主要取决于绕组间电容。
一般要求小于30pF。
•平衡特性：
纵向平衡（Longitudinalbalance）表示线路抑制纵向信号（如共模）的能力。
取决于变压器的绕线对地的对称性。
•回损：
根据ITU-T规定，变压器必须满足接口最小回损要求，变压器回损最小值应该大于接口回损极限。
受到保护电路和实际电路阻抗的影响，回损会增加，这时设计者要根据实际情况调节电阻，以达到良好的阻抗匹配。
•安全标准：
•
•
ETS300046-3要求变压器有1KV以上的隔离电压能力。
G.703的过脉冲幅度正在讨论中。
现在生产厂家可以提供1.5KV到3.0KV绝缘电压（初次级间）的变压器。
变压器还有耐冲击电流能力的要求，包括引脚到地（longlitudinalvoltage）和引脚之间（metallicvoltage）的冲击电流。
为了增加接口的耐过电压能力，还可以加保护电路
图4.1
根据市场需要选择保护电路元件的等级。
•共模电感器的应用：
高频16线或4线的共模扼流线圈可以有效地抑制10M~100M的共模噪音，使产品容易达到国家或国际EMI标准。
尤其是高密度布板时。
设计时可以将共模电感和变压器连接，典型用法如下图所示。
PULSE公司提供4线或16线的插装或表面贴的共模电感。
图4.2
•器件排板
•
•
•
图4.3
✡让芯片和变压器，变压器和连接器之间的距离最小。
✡PCB板允许的话，建议加上共模电感。
✡避免TX和RX信号线的交叉。
✡根据T1/E1具体应用选择连接器。
✡为了满足回损和脉冲波形的要求，需要调整电路匹配电阻。
（二）LAN
以10/100BASE-TX，155M为主。
10/100BASE-TX以IEEE802.3（ISO802.3），802.3u为标准，为了达到要求，需要注意以下几点：
耐压、插损、回损、串音衰减、共模抑制比、上升时间
ETHERNETMEDIUMINTERFACECONFIGURATION
图4.4
•耐高压
初次级之间必须可以耐1500Vrm以上的高压。
•回损
阻抗匹配遵循802.3要求，使回损在最小值以上（UTP，100±15Ω；STP，150±15Ω）
•上升时间（RISETIME）
对于100BASE-T来说，上升时间要求小于5.0ns，上升时间偏差小于0.5ns
•基线摆动（BASELINEWANDER）
为了补偿基线摆动，100BASE-T的变压器的初级电感（OCL）要求大于350uH（@8mADCBIAS）
•噪音的滤除
有两种方法
✡中间抽头的利用
图4.5
中间抽头不仅可以改变变压器的匝比，更重要的是可以用于抑制共模噪音。
将抽头接地（如PE-68026）或通过电容接地（如PE-68515L），对于差模信号，产生的磁场使电流相互增强，表现为高阻；对于共模信号则磁场相互抵消，表现为零阻抗，将共模信号短路到地。
一般可以在10~100Mb/S的范围内对共模信号做10dB的衰减。
图4.6
有时候抽头接地是通过所谓auto-transformer来实现的，如下图，将auto-transformer的CT通过电容接地。
用auto-transformer接地，可以脱离初、次级电感，独立设计电感量，达到最佳的滤波条件。
图4.7
注意：
由于线缆端是高压端，因此CT应该接到机壳地，与连接器的外壳同地。
并且接地电容是要与变压器同耐压级别的。
所以在IC端CT接地可以降低成本，而且对接收端来说，在IC端滤波比在线缆端效果好。
✡共模电感
如图4.5，共模电感是有效滤除共模噪音的器件，可以根据需要选择不同滤波范围的电感。
理想情况下，CT接地滤波和共模电感滤波可以达到如图4.8所示效果。
图4.8
✡BOBSMITH电路
如果不用共模电感，可以用BOBSMITH电路抑制共模噪音。
这是由Bobsmith总结改进的重茧抽头接地体系。
接在变压器线端。
由于UTP-5的共模阻抗是75欧姆，所以用75欧姆串联电阻来匹配，中间抽头通过75欧姆电阻和电容接地，将共模能量吸收。
没有信号的连接器引脚通过两个50欧姆电阻串联（即作为100欧姆负载）后到地，以免产生干扰。
这个电路可以产生10dB的EMI衰减。
图4.9
✡滤波器
在10MBASE中，还用在IC端加低通滤波器的方法（见图ETHERNETMEDIUMINTERFACECONFIGURATION），以限制信号频率外的高频干扰。
现在的生产厂家把Autotransformer、共模电感和滤波器甚至BOBSMITH电路、RJ45连接器和IC都集成在变压器中，以模块的形式提供给客户。
客户可以根据设计需要和成本来选择有不同组合，不同中间抽头（CT），AutoX'former和共模电感（CMC）个数的器件。
我司采用的LAN变压器基本属于模块型。
•器件排板
✡尽量避免、减少布线的弯曲和交叉，需要90°转角时用两个45°
✡隔离有磁场的器件，以减少相互的干扰
✡减小变压器和连接器的距离，建议在1inch之内，否则要加强阻抗匹配和传输线路的对称性的考虑
✡减小变压器和PHY器件的距离，建议在1inch之内。
✡输入输出的地分隔开，可以使共模电感更有效
✡如果变压器模块内部设计使输出可以直线到PHY，可以减小Crosstalk
✡使用带屏蔽外壳的连接器有利于EMC
✡根据成本和设计需要、单板空间选择器件的CT、CMC集成情况
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