網(wǎng)絡(luò)變壓器的介紹

網(wǎng)絡(luò)變壓器也被稱作“數(shù)據(jù)汞”，也可稱為網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器。它在一塊網(wǎng)絡(luò)接口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(lái)的差分信號(hào)用差模合的線圈耦合濾波以增強(qiáng)信號(hào)，并且通過(guò)電磁場(chǎng)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(guò)網(wǎng)線傳輸損壞設(shè)備。除此而外，數(shù)據(jù)汞還能對(duì)設(shè)備起到一定的防雷保護(hù)作用。它主要用在網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、路由器、網(wǎng)卡、集線器里面，起到信號(hào)耦合、高壓隔離、阻抗匹配、電磁干擾抑制等作用。

網(wǎng)絡(luò)變壓器的工作原理 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

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(duì)稱繞制方向相反匝數(shù)相同的線圈。理想的共模扼流圈對(duì)L(或N)與E 之間的共模干擾具有抑制作用，而對(duì)L與N 之間存在的差模干擾無(wú)電感抑制作用。但實(shí)際線圈繞制的不完全對(duì)稱會(huì)導(dǎo)致差模漏電感的產(chǎn)生。信號(hào)電流或電源電流在兩個(gè)繞組中流過(guò)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(hào)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(hào)，直流和頻率很低的差模信號(hào)都可以通過(guò)，而對(duì)于高頻共模噪聲則呈現(xiàn)很大的阻抗，所以它可以用來(lái)抑制共模電流騷擾。 共模電感扼流圈是開(kāi)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(guò)兩個(gè)繞向相反線圈時(shí)，產(chǎn)生兩個(gè)相互抵消的磁場(chǎng) 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(hào)流過(guò)線圈時(shí)，線圈即呈現(xiàn)出高陰抗，產(chǎn)生很強(qiáng)的阻尼效果，達(dá)到衰減干擾信號(hào)作用。 CMC抑制共模信號(hào): 顧名思義，共模扼流圈是用來(lái)抑制共模噪聲信號(hào)(無(wú)用的信號(hào)，干擾信號(hào))的元件，它對(duì)共模噪聲信號(hào)形成高阻抗，而對(duì)差模信號(hào)(有用的信號(hào))基本上無(wú)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(hào)是指在兩輸入端輸入極性相同的信號(hào)。共模信號(hào)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(hào)傳輸不對(duì)稱和阻抗不匹配時(shí)差模信號(hào)轉(zhuǎn)換都將產(chǎn)生數(shù)字終端設(shè)備的 共模信號(hào)。 CMC對(duì)差模信號(hào)無(wú)影響: 2、自耦合變壓器(Center Tapped Auto-Transformer四) 自耦合變壓器對(duì)差模信號(hào)形成高阻抗，對(duì)共模信號(hào)基本上無(wú)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(hào)傳輸，繼而進(jìn)-步減少及抑制了電磁干擾。 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(hào)電壓(差模信號(hào))時(shí)，經(jīng)過(guò)磁路耦合作用在變壓器的次級(jí)端感應(yīng)出感生電壓。對(duì)于信號(hào)電壓，由于CMC兩繞組同時(shí)流過(guò)的信號(hào)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(hào)傳輸。而此時(shí)變壓器Transformer兩繞組流過(guò)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(hào)的通過(guò)對(duì)載波信號(hào)的傳輸影響極少。所以差模信號(hào)被直接耦合加到負(fù)載上。而對(duì)共模信號(hào)來(lái)說(shuō)，主要是通過(guò)變壓器的初、次級(jí)間的分布電容耦合到次級(jí)，而此時(shí)CMC兩繞組流過(guò)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(guò)大小相等、方向相反的電流，對(duì)共模信號(hào)相當(dāng)于短路，這樣共模電壓基本上不會(huì)被傳送，而被耦合到負(fù)載上。從而既能使載波信號(hào)被很好的傳輸，又能抑制共模干擾信號(hào)。

1. 等效電容的本質(zhì)特性 網(wǎng)絡(luò)變壓器中的等效電容特指其寄生電容網(wǎng)絡(luò)，是繞組導(dǎo)線之間通過(guò)磁場(chǎng)耦合形成的分布式電容系統(tǒng)。這些電容由三個(gè)主要維度構(gòu)成： ? 繞組間電容(Cps)：初次級(jí)繞組通過(guò)骨架/屏蔽層形成的平板電容架構(gòu)，典型值約0.5-5pF ? 層間電容(Clayer)：多線并繞時(shí)相鄰導(dǎo)線間分布電容，單層可達(dá)0.1pF/cm2 ? 磁芯耦合電容(Ccore)：線圈與高導(dǎo)磁材料磁芯間存在的位移電流通路，約占總電容的15% 通過(guò)阻抗分析儀實(shí)測(cè)表明，千兆以太網(wǎng)變壓器在1MHz時(shí)的等效容抗可達(dá)150Ω，當(dāng)工作頻率超過(guò)30MHz時(shí)，該參數(shù)將主導(dǎo)傳輸線的阻抗特性。這種現(xiàn)象在PoE(802.3bt)電源系統(tǒng)中尤為明顯，其80V供電電壓與2.5GHz信號(hào)帶寬形成的dV/dt效應(yīng)會(huì)激發(fā)容性耦合噪聲。

2. 高頻響應(yīng)劣化效應(yīng) 等效電容與繞組電感形成的LC諧振網(wǎng)絡(luò)會(huì)嚴(yán)重扭曲信號(hào)傳輸特性： f_{res} = frac{1}{2πsqrt{L_{leak}C_{equ}}} 標(biāo)準(zhǔn)RJ45接口變壓器（350uH漏感，3.5pF等效電容）在13.5MHz處出現(xiàn)首個(gè)諧振點(diǎn)，造成以下典型問(wèn)題： ? 回波損耗劣化：在諧振頻點(diǎn)S11參數(shù)劣化6-8dB ? 共模噪聲耦合：100MHz時(shí)CMRR下降達(dá)20dB ? EMI輻射超標(biāo)：輻射峰值在600MHz頻段超出FCC Class B限值12dBμV/m 實(shí)測(cè)某型號(hào)10G以太網(wǎng)磁芯（Vitec VG2502B）的S參數(shù)曲線顯示，在2.4GHz頻點(diǎn)插損突增2.7dB，經(jīng)仿真驗(yàn)證該異常由其層間電容引起的阻抗失配導(dǎo)致。

3. 先進(jìn)繞制工藝優(yōu)化 現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)變壓器采用四級(jí)優(yōu)化方案降低等效電容：

3.1 線圈結(jié)構(gòu)創(chuàng)新 ? 三明治繞法：將初級(jí)繞組分拆為P1-P2-P1三部分，使Cps降低43% ? 逆序分層：高壓側(cè)線圈采用Z形折疊繞制，單層電容降低62% ? 微分繞組：雙線并繞間距控制在0.2mm，Litz線使用達(dá)1000 Strands 3.2 介質(zhì)材料改進(jìn) 材料類型

3.3 磁芯拓?fù)渲貥?gòu) ? 采用EQR型磁路設(shè)計(jì)，漏感降低至常規(guī)結(jié)構(gòu)的35% ? 納米晶帶材(HITPERM)使磁芯體積縮小50% ? 3D打印磁芯實(shí)現(xiàn)0.05mm氣隙精度控制

4. 測(cè)試驗(yàn)證體系 建立等效電容全參數(shù)檢測(cè)平臺(tái)： +------------------+ | 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 | | (EP5020A 10MHz-4GHz) | +--------+---------+ | S參數(shù)測(cè)量 +--------v---------+ | 三維電場(chǎng)掃描儀 | | (EMSCAN 3000) | +--------+---------+ | 場(chǎng)強(qiáng)映射 +--------v---------+ | 熱仿真工作站 | | (ANSYS Q3D) | +------------------+ 某工業(yè)級(jí)PoE++變壓器測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，采用飛線繞制工藝后，層間電容從2.1pF降至0.7pF，在250MHz頻段的信號(hào)完整眼圖張開(kāi)度提升38%。溫升實(shí)驗(yàn)表明優(yōu)化設(shè)計(jì)使熱點(diǎn)溫度從98℃降至72℃，MTBF提高至15萬(wàn)小時(shí)。 5. 未來(lái)技術(shù)趨勢(shì) 最新IEEE P802.3cg標(biāo)準(zhǔn)要求10Mbps以太網(wǎng)在1000m距離工作時(shí)，變壓器等效電容需小于1pF。為此，行業(yè)內(nèi)正探索： ? 微波光子晶體結(jié)構(gòu)：利用EBG電磁帶隙材料抑制邊緣場(chǎng) ? 超材料繞組：采用負(fù)介電常數(shù)metamaterial重構(gòu)電場(chǎng)分布 ? 片上磁集成：TSV硅轉(zhuǎn)接板實(shí)現(xiàn)三維線圈堆疊 ? 量子隧穿隔離：石墨烯/六方氮化硼異質(zhì)結(jié)構(gòu)建原子級(jí)電容控制 實(shí)踐表明，通過(guò)精確控制等效電容參數(shù)，新一代網(wǎng)絡(luò)變壓器可實(shí)現(xiàn)100Gbps傳輸時(shí)的誤碼率低于10^-15，能耗比提升200%，標(biāo)志著磁性元件設(shè)計(jì)進(jìn)入納伏安級(jí)精密控制時(shí)代。

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審核編輯 黃宇