網(wǎng)絡(luò)變壓器分類

可以分為兩類:a. 離散性網(wǎng)絡(luò)變壓器(DiscreteLAN Magnetics Module)；b. 內(nèi)部集成磁性變壓器模塊的RJ45連接器 (RJ45 Connector with Integrated Magnetics,ICMs);

產(chǎn)品依據(jù)客戶焊接類型，可以分為兩類:a. 表面貼裝元件 (SMT,Surface Mount Type)b. 插件元件 (TH,Through-Hole Type)

產(chǎn)品依據(jù)傳輸速率，可以分類四類:a. 10Base-T,b. 10/100Base-T,c. 1000 Base-T,d. 10G Base-T.

(Base-T: Baseband，雙絞線對。簡而言之，Base-T是一種以bps速率工作的局域網(wǎng)（LAN）標(biāo)準(zhǔn)，它通常被稱為快速以太網(wǎng)，并使用UTP（非屏蔽雙絞線）銅質(zhì)電纜。快速以太網(wǎng)有三種基本的實(shí)現(xiàn)方式：Base-FX、 Base-T、和1Base-T4。每一種規(guī)范除了接口電路外都是相同的，接口電路決定了它們使用哪種類型的電纜。為了實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘/數(shù)據(jù)恢復(fù)（CDR）功能，Base-T使用4B/5B曼徹斯特編碼（Manchester Encoding）機(jī)制。)

1、共模扼流圈（CMC：Common mode Choke）

共模扼流圈(Common mode Choke)，也叫共模扼制電感，是在一個(gè)閉合磁環(huán)上對稱繞制方向相反、匝數(shù)相同的線圈。理想的共模扼流圈對L（或N）與E 之間的共模干擾具有抑制作用，而對L 與N 之間存在的差模干擾無電感抑制作用。但實(shí)際線圈繞制的不完全對稱會導(dǎo)致差模漏電感的產(chǎn)生。信號電流或電源電流在兩個(gè)繞組中流過時(shí)方向相反，產(chǎn)生的磁通量相互抵消，扼流圈呈現(xiàn)低阻抗。共模噪聲電流（包括地環(huán)路引起的騷擾電流，也處稱作縱向電流）流經(jīng)兩個(gè)繞組時(shí)方向相同，產(chǎn)生的磁通量同向相加，扼流圈呈現(xiàn)高阻抗，從而起到抑制共模噪聲的作用。共模電感實(shí)質(zhì)上是一個(gè)雙向濾波器：一方面要濾除信號線上共模電磁干擾，另一方面又要抑制本身不向外發(fā)出電磁干擾，避免影響同一電磁環(huán)境下其他電子設(shè)備的正常工作。

共模扼流圈可以傳輸差模信號，直流和頻率很低的差模信號都可以通過，而對于高頻共模噪聲則呈現(xiàn)很大的阻抗，所以它可以用來抑制共模電流騷擾。

共模電感扼流圈是開關(guān)電源、變頻器、UPS 電源等設(shè)備中的一個(gè)重要部分。其工作原理：當(dāng)工作電流流過兩個(gè)繞向相反線圈時(shí)，產(chǎn)生兩個(gè)相互抵消的磁場 H1、 H2 ，此時(shí)工作電流主要受線圈歐姆電阻以及可忽略不計(jì)的工作頻率下小漏電感的阻尼。如果有干擾信號流過線圈時(shí)，線圈即呈現(xiàn)出高阻抗，產(chǎn)生很強(qiáng)的阻尼效果，達(dá)到衰減干擾信號作用。

CMC抑制共模信號：

顧名思義，共模扼流圈是用來抑制共模噪聲信號（無用的信號，干擾信號)的元件，它對共模噪聲信號形成高阻抗，而對差模信號(有用的信號)基本上無影響。它是抑制EMI電磁干擾的主要元件，工作原理如下：

共模信號是指在兩輸入端輸入極性相同的信號。共模信號將導(dǎo)致電磁干擾。電磁干擾分為輻射干擾和傳導(dǎo)干擾（進(jìn)入電源線內(nèi)）。信號傳輸不對稱和阻抗不匹配時(shí)差模信號轉(zhuǎn)換都將產(chǎn)生數(shù)字終端設(shè)備的共模信號。

CMC對差模信號無影響：

2、自耦合變壓器(Center Tapped Auto-Transformer)

自耦合變壓器對差模信號形成高阻抗，對共模信號基本上無影響，按照以上的接線方式接入線路中，可以有效地進(jìn)行信號傳輸，繼而進(jìn)一步減少及抑制了電磁干擾。

3、扼流圈工作原理及插入損耗特性（或稱阻抗特性）：

變壓器兩腳加上信號電壓(差模信號)時(shí)，經(jīng)過磁路耦合作用在變壓器的次級端感應(yīng)出感生電壓。對于信號電壓，由于CMC兩繞組同時(shí)流過的信號電流大小相等、方向相反，在CMC的鐵芯磁路中產(chǎn)生了方向相反的磁通，相互抵消，不影響差模信號傳輸。而此時(shí)變壓器Transformer兩繞組流過的則是大小相等，方向相同的電流，致使變壓器Transformer的作用相當(dāng)于一個(gè)大的電阻，阻礙差模信號的通過，對載波信號的傳輸影響極少。

所以差模信號被直接耦合加到負(fù)載上。而對共模信號來說，主要是通過變壓器的初、次級間的分布電容耦合到次級，而此時(shí)CMC兩繞組流過的是大小相等、方向相同的電流，這時(shí)CMC相當(dāng)于一個(gè)大的電阻，阻止共模電流的傳輸，而變壓器Transformer兩繞組則是流過大小相等、方向相反的電流，對共模信號相當(dāng)于短路，這樣共模電壓基本上不會被傳送，而被耦合到負(fù)載上。從而既能使載波信號被很好的傳輸，又能抑制共模干擾信號。

變壓器的中間抽頭。中間抽頭為什么有些接電源？有些接地？這個(gè)主要是使用的phy芯片UTP（雙絞線）口驅(qū)動類型決定的，有兩種，如果是電壓驅(qū)動的就要接電源；如果是電流驅(qū)動的就不用了，直接接個(gè)電容到地。為什么有些接2.5v？而有些又接3.3v呢？這個(gè)由PHY芯片資料里規(guī)定的UTP端口電平?jīng)Q定。如果是2.5v的就上拉到2.5v，如果是3.3v的就上拉到3.3v。

1 網(wǎng)口變壓器作用

1、中間抽頭為什么有些接電源？有些接地？

這個(gè)主要是與使用的PHY芯片UTP口驅(qū)動類型決定的， 這種驅(qū)動類型有兩種， 電壓驅(qū)動和電流驅(qū)動。電壓驅(qū)動的就要接電源；電流驅(qū)動的就直接接個(gè)電容到地即可！所以對于不同的芯片， 中心抽頭的接法， 與PHY是有密切關(guān)系的，具體還要參看芯片的datasheet 和參考設(shè)計(jì)了。

2、為什么接電源時(shí)，又接不同的電壓呢？

這個(gè)也是所使用的PHY芯片資料里規(guī)定的UTP 端口電平?jīng)Q定的。決定的什么電平，就得接相應(yīng)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(gè)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(dāng)接到不同電平網(wǎng)口時(shí)，也會有影響。而且外部對芯片的干擾也很大。當(dāng)接了網(wǎng)絡(luò)變壓器后，它主要用于信號電平耦合。其一，可以增強(qiáng)信號，使其傳輸距離更遠(yuǎn)；其二，使芯片端與外部隔離， 抗干擾能力大大增強(qiáng)， 而且對芯片增加了很大的保護(hù)作用（如雷擊） ；其三，當(dāng)接到不同電平（如有的PHY芯片是2.5V，有的PHY芯片是3.3V）的網(wǎng)口時(shí)，不會對彼此設(shè)備造成影響。

總的來說，網(wǎng)絡(luò)變壓器主要有信號傳輸、阻抗匹配、波形修復(fù)、信號雜波抑制和高電壓隔離等作用。

數(shù)據(jù)汞也被叫做網(wǎng)絡(luò)變壓器或可稱為網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器。它在一塊網(wǎng)卡上所起的作用主要有兩個(gè)， 一是傳輸數(shù)據(jù)， 它把PHY送出來的差分信號用差模耦合的線圈耦合濾波以增強(qiáng)信號， 并且通過電磁場的轉(zhuǎn)換耦合到不同電平的連接網(wǎng)線的另外一端;一是隔離網(wǎng)線連接的不同網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間的不同電平， 以防止不同電壓通過網(wǎng)線傳輸損壞設(shè)備。除此而外，數(shù)據(jù)汞還能對設(shè)備起到一定的防雷保護(hù)作用。

變壓器兩腳加上信號電壓(差模信號)時(shí)，經(jīng)過磁路耦合作用在變壓器的次級端感應(yīng)出感生電壓。對于信號電壓，由于CMC 兩繞組同時(shí)流過的信號電流大小相等、方向相反，在CMC的鐵芯磁路中產(chǎn)生了方向相反的磁通，相互抵消，不影響差模信號傳輸。

而此時(shí)CMT 兩繞組流過的則是大小相等，方向相同的電流，致使CMT 的作用相當(dāng)于一個(gè)大的電阻，阻礙差模信號的通過，對載波信號的傳輸影響極少。所以差模信號被直接耦合加到負(fù)載上。而對共模信號來說， 主要是通過變壓器的初、次級間的分布電容耦合到次級，而此時(shí)CMC兩繞組流過的是大小相等、方向相同的電流，這時(shí)CMC相當(dāng)于一個(gè)大的電阻，阻止共模電流的傳輸，而CMT 兩繞組則是流過大小相等、方向相反的電流， 對共模信號相當(dāng)于短路， 這樣共模電壓基本上不會被傳送，而被耦合到負(fù)載上。從而既能使載波信號被很好的傳輸，又能抑制共模干擾信號。

PHY的DAC (Digital to Analog Converter)確有電壓驅(qū)動和電流驅(qū)動之分，具體的真的得看PHY的DATASHEET了。但不論電壓驅(qū)動和電流驅(qū)動，PHY端變壓器的中心抽頭都要接電容來濾波。

重要的是對于電流驅(qū)動的 PHY,2線 CMC(COMMON MODE CHOKE) 在PHY端的線路是不適用的，因?yàn)殡娏饔锌赡茱柡虲MC而使其失去共模抑制作用的。但3 線CMC在PHY端線路因?yàn)榈谌€在原理上等效為自耦變壓器就可以。但在一般的繞法下， 2 線CMC的共模抑制能力要比3 線的要好，

原因是在3 線CMC里有磁場抵消。不過特殊的繞法可以避免這一缺點(diǎn)，但本人不便在此透露，因?yàn)樯婕皩＠麊栴}。另外， 3 線CMC 的線路能提供更多的線路平衡， 故其不同模信號的轉(zhuǎn)換特性要好， 如果EMI（干擾）有余量而EMS(抗干擾） 有問題，就該考慮用帶3 線CMC的變壓器。反之如果EMS有余量而EMI 有問題的話，就用帶2 線CMC的變壓器。如果二者都沒余量， 那就需要跟你的供應(yīng)商具體討論改善措施了。

a) RJ45和變壓器之間的距離盡可能的短，晶振遠(yuǎn)離接口、PCB邊緣和其他的高頻設(shè)備、走線或磁性元件周圍，PHY層芯片和變壓器之間的距離盡可能短，但有時(shí)為了顧全整體布局，這一點(diǎn)可能比較難滿足，但他們之間的距離最大約10~12cm，器件布局的原則是通常按照信號流向放置，切不可繞來繞去；

b) PHY層芯片的電源濾波按照要芯片要求設(shè)計(jì)，通常每個(gè)電源端都需放置一個(gè)退耦電容，他們可以為信號提供一個(gè)低阻抗通路，減小電源和地平面間的諧振，為了讓電容起到去耦和旁路的作用，故要保證退耦和旁路電容由電容、走線、過孔、焊盤組成的環(huán)路面積盡量小，保證引線電感盡量?。?/p>

c) 網(wǎng)口變壓器PHY層芯片側(cè)中心抽頭對地的濾波電容要盡量靠近變壓器管腳，保證引線最短，分布電感最小；

d) 網(wǎng)口變壓器接口側(cè)的共模電阻和高壓電容靠近中心抽頭放置，走線短而粗（≥15mil）；

e) 變壓器的兩邊需要割地：即RJ45連接座和變壓器的次級線圈用單獨(dú)的隔離地，隔離區(qū)域100mil以上，且在這個(gè)隔離區(qū)域下沒有電源和地層存在。這樣做分割處理，就是為了達(dá)到初、次級的隔離，控制源端的干擾通過參考平面耦合到次級；

f) 指示燈的電源線和驅(qū)動信號線相鄰走線，盡量減小環(huán)路面積。指示燈和差分線要進(jìn)行必要的隔離，兩者要保證足夠的距離，如有空間可用GND隔開；

g) 用于連接GND和PGND的電阻及電容需放置地分割區(qū)域。

2.以太網(wǎng)的信號線是以差分對（Rx±、Tx±）的形式存在，差分線具有很強(qiáng)共模抑制能力，抗干擾能力強(qiáng)，但是如果布線不當(dāng)，將會帶來嚴(yán)重的信號完整性問題。下面我們來一一介紹差分線的處理要點(diǎn)：

a) 優(yōu)先繪制Rx±、Tx±差分對，盡量保持差分對平行、等長、短距，避免過孔、交叉。由于管腳分布、過孔、以及走線空間等因素存在使得差分線長易不匹配，時(shí)序會發(fā)生偏移，還會引入共模干擾，降低信號質(zhì)量。所以，相應(yīng)的要對差分對不匹配的情況作出補(bǔ)償，使其線長匹配，長度差通?？刂圃?mil以內(nèi)，補(bǔ)償原則是哪里出現(xiàn)長度差補(bǔ)償哪里；

b) 當(dāng)速度要求高時(shí)需對Rx±、Tx±差分對進(jìn)行阻抗控制，通常阻抗控制在100Ω±10%；

c) 差分信號終端電阻（49.9Ω，有的PHY層芯片可能沒有）必須靠近PHY層芯片的Rx±、Tx±管腳放置，這樣能更好的消除通信電纜中的信號反射，此電阻有些接電源，有些通過電容接地，這是由PHY芯片決定的；

d) 差分線對上的濾波電容必須對稱放置，否則差模可能轉(zhuǎn)成共模，帶來共模噪聲，且其走線時(shí)不能有stub ，這樣才能對高頻噪聲有良好的抑制能力。

3.變壓器集成在連接器的以太網(wǎng)電路的PCB布局、布線較不集成的相對簡單很多，下圖 3是采用一體化連接器的網(wǎng)口電路的PCB布局、布線參考圖：

圖 3一體化連接器的網(wǎng)口PCB布局、布線參考圖

從上圖可以看出，圖3和圖1的不同之處在于少了網(wǎng)口變壓器，其它大體相同。不同之處主要體現(xiàn)在網(wǎng)口變壓器已集成至連接器里，所以地平面無需進(jìn)行分割處理，但我們依然需要將一體化連機(jī)器的外殼連接到連續(xù)的地平面上。

4.電路濾波設(shè)計(jì)：

a) 在差分線上分別串接10R電阻，在分別對地添加5-10pF電容

b) 變壓器電源添加LC濾波，選擇600R/100Mhz磁珠和0.01-0.1uF電容

5.電路防雷設(shè)計(jì)：

為了達(dá)到IEC61000-4-5或GB17626.5標(biāo)準(zhǔn)，共模2KV，差摸1KV的防雷測試要求，成本最低的設(shè)計(jì)方案就是變壓器初級中心抽頭通過防雷器件接地，可以選擇成本較低的半導(dǎo)體放電管，但是要注意“防護(hù)器件標(biāo)稱電壓要求大于等于6V；防護(hù)器件峰值電流要求大于等于50A；防護(hù)器件峰值功率要求大于等于300 W。注意選擇半導(dǎo)體放電管，要注意器件“斷態(tài)電壓、維持電流”均要大于電路工作電壓和工作電流。

根據(jù)測試標(biāo)準(zhǔn)要求，對于非屏蔽的平衡信號，不要求強(qiáng)制性進(jìn)行差模測試，所以對于差模1KV以內(nèi)的防護(hù)要求，可以通過變壓器自身繞阻來防護(hù)能量沖擊，不需要增加差模防護(hù)器件。

1）由于TVS管響應(yīng)比壓敏電阻和氣體放電管快，不能將壓敏電阻or氣體放電管與TVS管直接并聯(lián)使用，而應(yīng)在其中間串聯(lián)uH級別的電感或?qū)Ь€（導(dǎo)線也有寄生電感）；

2）氣體放電管需要續(xù)流遮斷：即在其吸收瞬態(tài)發(fā)生短路后要能恢復(fù)到開路狀態(tài)，即在一般使用中氣體放電管的直流擊穿電壓比其并聯(lián)的信號的工作電壓高的多，當(dāng)由于瞬態(tài)干擾氣體放電管起作用，發(fā)生短路后，短路狀態(tài)的維持需要一個(gè)電壓，若信號電壓會使氣體放電管一直維持在短路狀態(tài)，時(shí)間一長，就會將此信號燒毀，所以要使得信號電壓低于維持氣體放電管短路狀態(tài)的電壓。

6. 輻射與ESD：

a) 指示燈走線和電源上都加磁珠,磁珠靠近接口，然后限流電阻靠近PHY芯片，并添加電容濾波。

7. PCB布局布線原則：

1）變壓器與RJ45之間，PHY層芯片與變壓器之間的距離應(yīng)控制在1inch內(nèi)。當(dāng)布局條件限制時(shí)，應(yīng)優(yōu)先保證變壓器與RJ45之間的距離在1inch內(nèi)。

2）器件布局按照信號流向放置，切勿繞來繞去。

3）變壓器下方的地平面要分割，分割線寬度不小于100MIL，網(wǎng)口變壓器放置在GND和PGND的分隔線上。

4）每對差分走線都要控制走線長度一致，同時(shí)注意控制阻抗為50歐姆。

5）注意PHY層芯片的的數(shù)字地和模擬地統(tǒng)一，數(shù)字電源和模擬電源使用磁珠進(jìn)行隔離。同時(shí)要與變壓器配合。注意PHY芯片的電源濾波，按照芯片要求設(shè)計(jì)。

6）網(wǎng)口指示燈的電源線3.3V或者2.5V來自于電源平面，要對它們使用磁珠和電容進(jìn)行退耦；指示燈驅(qū)動線要靠近PHY串連電阻，并在進(jìn)入I/O區(qū)域之前進(jìn)行電容濾波。這樣防止噪聲通過指示燈電源線耦合到差分線對區(qū)域。

7）指示燈電源線和驅(qū)動信號線要靠近走線，盡量減小環(huán)路面積。

8）指示燈線和差分線對要進(jìn)行必要的隔離，兩者要保證距離足夠遠(yuǎn)，如果必要使用GND平面進(jìn)行隔離。

9）注意網(wǎng)口變壓器芯片側(cè)中心抽頭對地的濾波電容要盡量靠近變壓器管腳，保證引線最短，分布電感最小。

10）用于連接GND和PGND的0歐姆電阻或者電容要放置在地分割線上。

11）PHY芯片的模擬電源不要占用大面積平面，從局部銅皮通過走線、磁珠、走線拉到變壓器芯片側(cè)中心抽頭上。

12）PHY芯片與變壓器之間已經(jīng)沒有VDD，將PHY芯片與變壓器之間的平面層區(qū)域定義為GND，這樣可以切斷來自VDD平面的噪聲途徑。

13）沿 單 板 PCB的 邊 緣（不用包住PGND，見圖8）每隔250mil打一個(gè)接地過孔，這些過孔排可以切斷單板噪聲向外輻射的途徑，減小對PGND靜地的影響。

14）單 板 的 PGND、GND通過 鏍 孔 和 結(jié) 構(gòu) 相 連 接，保 證 系 統(tǒng) 地 電 位 的 統(tǒng) 一。

15）保 證 電 源 平 面 和 地 平 面 之 間 的 良 好 退 耦 （低 阻），電 源 平 面 最 好 和地平面相鄰。

16）和電源平面相鄰的信號線不要超出電源平面的投影區(qū)域。

17）要保證和電源平面相鄰的信號線的回流路徑的完整性，否則就要改變平面的形狀，使得信號線處在平面層內(nèi)，回流路徑的不完整會帶來嚴(yán)重的EMC問題。

18）推 薦 把 所 有 的 高 速 信 號 線 、I /O 線 、差 分 線 對 優(yōu) 先 靠 近 地 平 面 走 線 ，如果無法實(shí)現(xiàn)才以電源平面作為參考平面。

19）差分線要遠(yuǎn)離其它信號線，放置其它信號線把噪聲耦合到差分線上。

20）為了減小差分信號的噪聲，數(shù)字信號線或電源要遠(yuǎn)離模擬信號線或電源。

21）電源的去耦和旁路是十分重要的，它們可以為信號提供一個(gè)低阻抗通路，減小電源和地平面間的諧振。電容可以起到去耦和旁路的作用，但要保證退 耦 和 旁 路 電 容 由 電 容 、 走 線 、 過 孔 、 焊 盤 組 成 的 環(huán) 路 的 面 積 盡 量 小 ， 保 證 引 線 電感盡量小，見下圖所示

退耦電容的環(huán)路面積

變壓器中心抽頭共模電容的布局布線對比圖

7.2、采用一體化連接器的網(wǎng)口電路PCB布局、布線規(guī)則

下面只針對不同點(diǎn)進(jìn)行描述。

1)網(wǎng)口變壓器是隔離器件，用于切斷共模，因?yàn)橐呀?jīng)被集成在連接器里，所以地平面不再進(jìn)行分割處理。

2)一體化連接器的外殼應(yīng)該連接到連續(xù)的地平面上。不要在連接器下面創(chuàng)建機(jī)架地。

3)單板周圍每隔250mil打接地過孔，將單板噪聲屏蔽在板內(nèi)。

很重要的一點(diǎn)（借鑒與電腦主板設(shè)計(jì)）：對于裸露在機(jī)箱外的接地設(shè)備的金屬外殼需要打接觸放電（如232 USB 以太網(wǎng)接口等），他們的信號線的防護(hù)措施如GDT 壓敏 TVS等要接到金屬外殼即大地，泄放到大地（接地設(shè)備的金屬外殼一般接大地）。