RJ45网口变压器工作原理与设计指南剖析课件.ppt

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1、2023/1/121网口变压器n简介n差模传输特性（功能性特性）n共模传输特性（EMI抑制特性）2023/1/122简介n以太网设备在收发器和网线间使用变压器，其包含中心抽头变压器，自耦变压器，共模电感。最新的以太网设备通过变压器提供48V电源，采用集成连接器，应用越来越广泛。这些器件的特性对于EMI的抑制很关键。n不可能通过变压器的data sheet判断变压器的特性。可以使用网络分析仪测试，但要注意系统性能是不同的，如果不了解系统的特性，不能完全判断变压器的特性。并且测试方法也没有一定的标准。n本文解释那些影响以太网变压器EMI性能的主要参数，在通常配置下，需要一个bench-level测

2、试方法来测试变压器特性。2023/1/123简介以太网变压器的功能：n满足IEEE 802.3中电气隔离的要求n不失真的传输以太网信号nEMI抑制：EMI特性直接与CM特性相关；相关信息不会出现在data sheet中；结构中寄生参数有明显的影响；手工绕线影响共模性能的一致性；封装中的布线很重要；封装尺寸及HV的要求限制了一些可能的选择；价格方面的考虑。2023/1/124简介变压器的构成：n脉冲（隔离）变压器n共模电感n自耦变压器n电容n电阻n封装/结构（集成变压器中的连接器管脚和走线）2023/1/125简介n典型的以太网口电路2023/1/126差模传输特性2023/1/127差模传输特

3、性n主要考虑差模参数。频率范围考虑从1MHz到100MHz（CAT5E）和250MHz（CAT6）n需要一些理想的假设简化初始的分析：假设磁导率足够大可认为是无穷大磁芯的此话足够小可认为是0忽略磁芯损耗忽略绕线电阻所有磁力线都在绕线内（即没有漏磁）忽略绕线间的电容2023/1/128差模传输特性n法拉第定律，闭合环路的感应电动势与磁力线随时间的变化率成比例。n理想变压器电压，电流和变比之间的关系2023/1/129差模传输特性n环形磁芯上的自感和互感R2 2023/1/1210差模传输特性n变压器的线路符号n阻抗的转换2023/1/1211差模传输特性n磁芯的磁化和饱和2023/1/1212非

4、理想参数n有限的磁导率2023/1/1213非理想参数n磁芯损耗：磁滞现象和涡旋电流损耗可以用图中与线圈并联的电阻RCL表示。降低磁芯损耗可以通过采用高电阻系数材料（如铁氧体材料）和采用薄板磁芯阻止涡旋电流的流动。2023/1/1214非理想参数n绕线电阻n漏磁：磁力线不能在两个线圈中完全耦合，可以用一个耦合系数k来描述，0k1。漏磁和绕线技术和磁芯形状有关。2023/1/1215非理想参数n分布电容：绕线和磁芯之间的耦合，相邻绕线间的耦合n线圈间电容：初级和次级线圈间的电容，容值足够小，对于正常差模信号没有影响，对于无意的共模信号有足够低的阻抗，会明显影响EMI相关特性。2023/1/121

5、6非理想参数n变压器等效电路2023/1/1217频率响应n降低磁化和泄露电感和分布电容可以增加频率范围n降低磁芯损耗和绕线电阻可以降低插入损耗2023/1/1218频率响应n脉冲上升的时域响应如右图n并联的磁化电感LM对于上升沿有很大的阻抗，可以忽略n响应曲线是指数阻尼振荡下降n振荡幅值和阻尼系数决定于LL，CD，R2。（假设源阻抗可以忽略）2023/1/1219频率响应n脉冲峰值的响应曲线如右图n响应主要决定于磁化电感和负载阻抗R2n漏感远小于磁化电感，可以忽略n分布电容可以忽略，因为电流不经过此电容n负载电压随时间指数降低2023/1/1220频率响应n漏感远小于磁化电感，可以忽略n响应

6、曲线是指数阻尼振荡下降n振荡幅值和阻尼系数决定于磁化电感，分布电容和负载阻抗。2023/1/1221频率响应2023/1/1222共模传输特性2023/1/1223理想中心抽头变压器理想中心抽头的变压器，所有的共模电流通过中心抽头返回到源。中心抽头作用：n通过提供差分线上共模噪声的低阻抗回流路径，降低线缆上共模电流和共模电压。n对于某些收发器提供一个直流偏置电压或功率源2023/1/1224非理想中心抽头变压如图，LCT，L，C12降低了共模衰减。L产生了差模共模转换n因为LCT+L0，所以中心抽头上存在共模电压。n共模电压在线缆上驱动共模电流，产生辐射。2023/1/1225共模电感n对有意

7、差分信号的传输，以及对无意共模信号的抑制，如图n共模电感的符号和模型。分布电容CCMC降低高频共模电感的阻抗。有损铁氧体（软铁氧体）由于能量耗散是有好处的。ZCMC是电阻性而非电抗性。LCMC和RCMC的高阻抗和CCMC是相互制约的两个参数。2023/1/1226变压器参数总结n主要功能性（差分）参数：变比；磁化电感（开路电感）；插入损耗；回返损耗（与所有差分参数有关）n影响差分参数的寄生参数：漏感；分布电容和初次级线圈间电容n影响共模噪声抑制的参数：中心抽头平衡度；中心抽头和参考面之间串联阻抗（不平衡+中心抽头电感+中心抽头电容）；初次级线圈间电容；共模电感阻抗。2023/1/1227变压器

8、共模特性n共模抑制效能是各器件特性，寄生参数及相互影响的综合结果n不能仅通过data sheet中的电路图来判断抑制效能，现在的data sheet对判断EMI抑制性能只有很少的作用nEMI性能的测试并不容易，需要特定的测试环境及测试夹具。n与其它滤波器一样，源和负载的共模阻抗及参考面的阻抗对变压器的共模抑制都很关键。2023/1/1228以太网线的传输模式n理解以太网线的传输模式是理解变压器EMI抑制功能的关键。n典型的UTP（非屏蔽网线）和传导的环境（如传导的GND）是一个多（9）导体的传输线。有意和无意信号同时传输。有意信号是信号对两线间的差模信号。无意信号包括：信号对之间的共模/差模混

9、合信号。信号与环境间的共模信号2023/1/1229以太网线的传输模式n传输模式的图示2023/1/1230各传输模式和EMI间的关系n信号对两线间的差模信号：相反的电流相互抵消，电场抵消，低EMI问题。n信号对之间的共模/差模混合信号：与真正的共模信号不同，它的传输也在线缆内部，所以也不是影响EMI的主要信号。n信号与环境间的共模信号主要的EMI源：传输发生在线缆和周围环境间，最容易引起EMI问题。所以变压器主要的EMI抑制功能就是减少这部分的噪声。2023/1/1231差分模式n不是EMI直接的原因n也是辐射的源，通过一些转换机制，将一部分差模信号转换成共模信号n保持信号线的平衡，对称，阻

10、抗匹配以及合理端接是非常重要的。例如，只有几pF的不平衡就会引起很明显的差模共模转换，增加串扰和EMI问题。2023/1/1232混合差模/共模模式n采用75ohm端接电阻，如图。n此电阻提供差分线对之间150ohm的端接，主要用于混合模式信号的阻抗匹配。高压电容CHV将线缆终端连接到GND改善EMI。由于有电阻，接线电感以及其它的限制，这并不是一个接地的低阻抗路径。2023/1/1233共模信号是引起EMI的最直接原因，产生的原因包括：n不平衡（阻抗，幅值，时间，dv/dt）n串扰n非理参考面（地弹，参考面与机壳间的射频电压）2023/1/123475ohm端接的共模阻抗n对于EMI的改善，

11、最好在线缆的终端通过一个低阻抗直接连接到机壳上。n75ohm端接对于共模信号是否是一个低阻抗？n75ohm端接对于阻抗匹配更好还是对于共模抑制更好？2023/1/1235一般变压器的配置n两线共模电感位于PHY侧：这种配置不适于电流驱动型的收发器，这种类型的收发器TX输出功率是由中心抽头处连接的电源提供的，后边详细介绍。n需要注意GND0V2023/1/1236一对线的共模模式简化图2023/1/1237共模模式的参数nZCMC：共模电感的阻抗，通过对共模电流提供高阻抗抑制EMI，设计目的是获得最大的LCMC和RCMC。nCCMC：共模电感的分布电容，减弱共模电感的高频性能。可以通过减小线圈间

12、的重合减小此电容容值，特别是整个线圈两端之间的距离。靠近传导的结构也会明显影响这个电容的容值。2023/1/1238共模模式的参数n典型的共模电感阻抗是磁芯材料，形状，绕线圈数和CCMC的函数。为了在特定频率范围获得高的阻抗，在其它频段一般会有低的阻抗。n共模阻抗会随着磁饱和而降低，这在以下两种情况中特别重要：一是有POE功能时，直流电流会使磁芯饱和二是暴露的UTP耦合到强电压和电流，如暴露在高强度的EMI下。2023/1/1239共模模式的参数n不平衡的中心抽头（PHY侧）：用L1来描述线圈两边的不平衡。对于理想变压器，中心抽头在线圈的中间，L1=0.n中心抽头不平衡产生的两个影响：一是L1

13、随着频率增加阻抗增加，限制了通过中心抽头减小共模电流的作用二是对于差分信号差生不平衡的影响，引起差模-共模以及共模-差模转换。这会增加辐射和敏感度。2023/1/1240共模模式的参数n中心抽头连接电感L1，增加中心抽头连接阻抗，主要决定于布线的情况。不会在中心抽头处产生信号间转换，但明显降低了100MHz以上的共模抑制性能。n此电感典型值是10nH2023/1/1241共模模式的参数n中心抽头电容容值：如果容值用0.1uF，与10nH串联电感在5MHz发生谐振。在谐振频率以上，中心抽头连接的阻抗主要体现为感性。使用不同的中心抽头电容可以获得不同的谐振频率，但最好保证感值L最小。2023/1/

14、1242共模模式的参数n初次级线圈间电容，为了消弱变压器的共模传输性能，应该尽可能减小此电容容值。但不幸的是，在EMC所关心的频率范围内，很难保证此容值足够小而提供有效地共模抑制。n线缆侧中心抽头电容的不平衡，与之前L1类似，也有差模转共模和增加阻抗的影响。2023/1/1243共模模式的参数n线缆侧中心抽头连接电感LC2：中心抽头连接到RCM和高压电容处连线的寄生电感用LC2代替。但很难保证LC2的低阻抗2023/1/1244共模模式的参数n高压电容：四个端接电阻共用一个高压电容，高耐压的需求限制了固定封装下容值的可选范围，典型应用的电容是1nF/2000V的陶瓷电容。n差模/共模端接电阻：

15、75ohm的端接电阻是混合差模/共模信号的端接，它也增加了线缆侧中心抽头连接处的阻抗。2023/1/1245共模模式的参数2线共模电感在PHY侧变压器模式的总结：n这种配置对于PHY产生的低频共模噪声有很好的抑制作用n共模电感和中心抽头电容一起提供了有效的低频滤波n在寄生参数CCMC，L1以及LC1的阻抗明显增大的频率下，EMI抑制效能明显降低。2023/1/1246正确认识所谓的共模端接n关注线缆侧中心抽头连接以及所谓的共模端接。n在典型的以太网应用中，并没有明显的差模/共模混合传输模式的信号激励源。n对这种模式信号进行端接可能会影响EMI，但这种传输模式并不是EMI的主要源。n所谓的共模端

16、接并没有端接真正的共模信号。n此端接的效能主要决定于系统设计，不能简单的认为此端接会提升EMI性能还是降低EMI性能。需要考虑如下两点：一是成本和益处；二是有可能为共模噪声提供一个绕过共模电感的路径。2023/1/1247正确认识所谓的共模端接n高压电容连接到噪声源点会增加线缆的共模电流和辐射，如图。参考平面如果不是理想的0V，高频的共模电流会绕过共模电感流到外部线缆上，引起辐射。2023/1/1248电流驱动型PHYn为什么2线共模电感不能放置于于电流驱动形PHY的PHY侧。如图，当有意信号的瞬时电流走在其中一个线圈或者在两个线圈中电流方向相同的时候，在磁芯中没有磁力线抵消，此电感会对这个有

17、意信号产生一个高阻抗，从而影响有意信号。2023/1/1249电流驱动型PHYn对于电流驱动型PHY，共模电感要放于线缆侧，如下图的应用。自耦变压器用于混合模式的端接。2023/1/1250自耦变压器n有自耦变压器的共模模式2023/1/1251自耦变压器自耦变压器的影响n有可能增加共模抑制，提供平衡线圈和到参考面的低阻抗连接n增加寄生参数漏感和寄生电容n增加封装和成本2023/1/12522线共模电感位于线缆侧n由于共模电感的存在，此时差模/共模混合传输模式端接不是150ohm，所以75ohm端接达不到该有的作用，此时需要选择不同的端接电阻阻止或者不使用此75ohm端接。2023/1/125

18、32线共模电感位于线缆侧2线共模电感位于线缆侧的总结n节约成本n可能提高共模性能n不适合用于POE的情况（由于磁饱和）n对于高等级的EMI干扰，由于共模电感的磁饱和可能出现问题。2023/1/12543线共模电感位于PHY侧n这种配置如左图，适用于电流驱动型PHY，中心抽头供电的电流与信号线圈上的电流相互抵消，减小共模电感的阻抗，保证工作信号的正常。如右图2023/1/12553线共模电感位于PHY侧n这种3线共模电感的结构对于差分线上共模噪声同样会有低阻抗，如图2023/1/12563线共模电感位于PHY侧n对于GND上的共模噪声有很好的抑制作用。如果PHY本身噪声不大，并且共模噪声不仅在差

19、分线上，中心抽头有同样的共模噪声，此3线共模电感就会有很好的抑制作用。2023/1/12573线共模电感位于PHY侧3线共模电感总结n低成本，仅有2个线圈n支持电流驱动型芯片n对于只存在于差分线上的共模抑制效果差n对于PCB参考上的共模噪声效果好2023/1/1258集成连接器n集成连接器模组（ICM），包含所有变压器器件被广泛应用，并且是不断增加的趋势。n可能在价格和PCB成本上有优势，但在空间限制和设计灵活性方面有挑战。nEMI性能不知决定于内部的器件，与ICM的结构有很大的关系。2023/1/1259集成连接器n典型的ICM内部图，通过PCB走线把8根管脚连接到内部变压器上，变压器固定在

20、垂直的PCB上，此张图移除了其中一个端口。2023/1/1260集成连接器n另外一种结构，8根管脚穿过PCB直接连接到变内部压器上，变压器直接固定在PCB和底层管脚之间。2023/1/1261ICM中的共模耦合n差分线对通过变压器两端的中心抽头连接在一起n共用GND管脚n器件紧密的放置于连接器内部n这会引起两种共模耦合：同一端口的差分线对之间耦合以及相邻端口的耦合。2023/1/1262ICM中的共模耦合n如下图，共模抑制等于所有线对间最差的抑制情况n不同线对间的共模-差模转换的影响也很大2023/1/1263POE功能n通过网线中的两对线进行直流电源传输，一般是48V电源，电流可以到350m

21、A，通过变压器的中心抽头输入。nPOE功能的额外考虑：高压隔离，包括POE线路的隔离避免共模电感的磁饱和POE线路对线缆的噪声耦合2023/1/1264POE功能典型POE集成连接器的线路图n推荐在48V电路上使用2线共模电感n需要直流电容nA点处电容到机壳需要有低阻抗连接2023/1/1265POE功能POE中3线共模电感的使用n是一个低成本的方案n所有3线电感的相关考虑与之前相同n在48V线路上没有共模电感，任何48V上的共模噪声都会直接到UTP上，最好能够在此线路上增加共模电感2023/1/1266POE功能n不要在没有自耦变压器的情况下把共模电感放于线缆侧nPOE线路中的直流电流会导致

22、共模电感的磁饱和，从而降低共模电感的滤波效能2023/1/1267ICM中的不平衡因素n连接器管脚的不平衡，包括管脚间电磁耦合的不平衡，走线长度不同引起的不平衡。n不平衡引起共模-差模转换，连接器管脚间不平衡以及管脚和变压器之间连接走线的不平衡所引起的转换要远大于中心抽头不平衡引起的转换。n如果设计中进行考虑，可有效降低这种不平衡。2023/1/1268连接器特性的测试n试验方法可快速有效的测出EMI抑制特性n需要系统级的测试n需要设计与实际产品环境相似的条件n包含EMI特性的不同方面。如共模抑制，共模-差模转换，对ESD，EFT及RFI等的响应。n必要的测试夹具2023/1/1269连接器特

23、性的测试两种试验测试方法n网络分析仪的共模-共模和共模-差模S参数的测试：4端口或3端口测试；测试夹具需要仔细设计，测试结果与夹具有很大关系，标准的夹具可以使测试可重复性并且有可比性。n共模电压探头测试，对系统级变压器的共模抑制性能测试有很好的应用，可以与辐射和传导发射直接相关。2023/1/1270连接器特性的测试nNA测试简图如右图n分离变压器的夹具如下图2023/1/1271连接器特性的测试n集成连接器的测试夹具如下图n8PIN网口插头与SMA接头转换夹具如下图2023/1/1272连接器特性的测试n集成连接器夹具下3端口NA测试设置2023/1/1273连接器特性的测试n一个端口中4对

24、线分别的共模-共模传输函数测试结果如下图。其中一对线在以太网频段内有好的共模抑制性能。是因为设计原因还是偶然因素？可以研究得到更好的设计。2023/1/1274连接器特性的测试n以下测试结果是与上边连接器有同样线路图，并且是同一个厂家，只是不同样品在不同时间的测试结果。可以看出，线路图并不能决定连接器的共模抑制性能，厂家是否可以控制产生这一差别的因素？如果能够注意到关键因素的影响是可以很好控制的。2023/1/1275连接器特性的测试n一个端口中4对线分别的共模-差模传输函数测试结果如下图。在1%不平衡的情况下最差有-46dB的转换。如果不进行有效的控制，很容易超过-40dB。2023/1/1

25、276连接器特性的测试n以下测试结果是与上边连接器有同样线路图，并且是同一个厂家，只是不同样品在不同时间的测试结果。可以看出，线路图并不能决定连接器的共模转差模性能，厂家是否可以控制产生这一差别的因素？如果能够注意到关键因素的影响是可以很好控制的。2023/1/1277对实际测试的响应n可以将变压器和夹具固定在一个机壳中模拟实际的产品，机壳暴露在实际的RFI条件下，测试此时对PHY产生的影响。如图2023/1/1278对实际测试的响应n对辐射和传导RFI耦合的抑制/转换nESD/EFT/Surge通过变压器后的转换2023/1/1279NA测试注意事项nPHY侧的阻抗是50ohm，但线缆侧的共

26、模阻抗随着线缆的形状改变会明显变化n对所有滤波器，连接到参考面的质量都很关键，并影响滤波器的特性。n模拟实际的EMI条件，NA需要与夹具和机壳结合使用n可以选择3端口或4端口NA测试n同时在所有线对上加共模噪声和只在一对线上加共模噪声都要测试n3端口测试简单并模拟了线缆侧真实的共模激励n4端口测试需要差模特性，测试更复杂并且更难共模噪声2023/1/1280其它可能的测试n回返损耗测试（阻抗匹配）n变压器的差模TDR特性测试n完整通道特性测试：两个PHY之间的所有传输特性，用线缆连接夹具上的两个端口进行测试，如图2023/1/1281注意事项n正确选择变压器是很关键的，错误选择很容易导致EMC

27、测试中的问题nData sheet中包含与功能相关的重要参数信息nData sheet中不包含EMI相关的特性n变压器是很复杂的器件，需要考虑系统的设计及众多寄生的参数n变压器对于不同产品会进行不同的调整。对于不理想的走线可以通过系统设计和器件选择进行弥补n可制造性以及综合因素限制变压器的性能n很多厂家提供的变压器并不能达到所说的EMI抑制性能n可以向厂家要求提供有更好EMI抑制特性的变压器2023/1/1282其它n与变压器厂商多交流，获得更好的技术支持n试验测试方法并不能总是正确的模拟实际系统的设计，要理解与实际相关的关键因素n自己验证n精确测试设置的知识对测试结果的理解很有必要。n这里提到的一些观念也可以用于其它不同种类的端口