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网口变压器简介剖析

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网络变压器简介、功能、分类、应用

网络变压器简介、功能、分类、应用

网络变压器：网络变压器是在有限局域网中各级网络设备中都具备的变压器元件。

网络变压器(Ethernet Transformer，也称数据汞模块,是网卡电路中不可或缺的部分，它主要包含中间抽头电容、变压器、自耦变压器、共模电感。

其又叫网络隔离变压器、以太网变压器、网络滤波器、网口变压器、LAN变压器等等。

——————————————————————————————————网络变压器的功能一，传输数据，它把PHY送出来的差分信号用差模耦合的线圈耦合滤波以增强信号，并且通过电磁场的转换耦合到不同电平的连接网线的另外一端;二，电气隔离防雷任何CMOS制程的芯片工作的时候产生的信号电平总是大于0V的(取决于芯片的制程和设计需求)，PHY输出信号送到100米甚至更长的地方会有很大的直流分量的损失。

而且如果外部网线直接和芯片相连的话，电磁感应(打雷)和静电，很容易造成芯片的损坏。

再就是设备接地方法不同，电网环境不同会导致双方的0V电平不一致，这样信号从A传到B，由于A设备的0V电平和B点的0V电平不一样，这样可能会导致很大的电流从电势高的设备流向电势低的设备。

网络变压器把PHY送出来的差分信号用差模耦合的线圈耦合滤波以增强信号，并且通过电磁场的转换耦合到连接网线的另外一端。

这样不但使网线和PHY 之间没有物理上的连接而换传递了信号，隔断了信号中的直流分量，还可以在不同0V电平的设备中传送数据。

网络变压器本身就是设计为耐2KV~3KV的电压的。

也起到了防雷保护作用。

有些朋友的网络设备在雷雨天气时容易被烧坏，大都是PCB设计不合理造成的，而且大都烧毁了设备的接口，很少有芯片被烧毁的，就是变压器起到了保护作用。

隔离变压器可满足IEEE802.3的绝缘要求，但不能抑制EMI。

二、共模抑制在双绞线中的每一根导线是以双螺旋形结构相互缠绕着。

流过每根导线的电流所产生的磁场受螺旋形的制约。

导线的电流方向,决定每对导线发射噪音的程度。

网口变压器简介

网口变压器简介
网口变压器
简介 差模传输特性（功能性特性） 共模传输特性（EMI抑制特性）
2019/11/19
1
简介
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。
更好？
2019/11/19
34
一般变压器的配置
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。
需要注意GND≠0V
2019/11/19
35
一对线的共模模式简化图
2019/11/19
36
共模模式的参数
42
共模模式的参数
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
2019/11/19
43
共模模式的参数
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。
2019/11/19
13
非理想参数
绕线电阻
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，0<k<1。漏 磁和绕线技术和磁芯形状有关。
2019/11/19
14
非理想参数
分布电容：绕线和磁芯之间的耦合，相邻绕线间的耦合
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。

网络变压器简介

网络变压器简介

网络变压器简介网络变压器具体有T1/E1隔离变压器；ISDN/ADSL接口变压器；VDSL 高通/低通滤波器模块、接口变压器；T3/E3、SDH、64KBPS接口变压器；10/100BASE、1000BASE-TX网络滤波器；RJ45集成变压器；还可根据客户需要设计专用变压器。

产品主要应用于：高性能数字交换机；SDH/ATM传输设备；ISDN、ADSL、VDSL、POE受电设备综合业务数字设备；FILT光纤环路设备；以太网交换机等等,如裕泰电子的YL18-2050S，YL18-3002S等比较常见!数据泵是消费级PCI网卡上都具备的设备，数据泵也被叫做网络变压器或可称为网络隔离变压器。

它在一块网卡上所起的作用主要有两个，一是传输数据，它把PHY送出来的差分信号用差模耦合的线圈耦合滤波以增强信号，并且通过电磁场的转换耦合到不同电平的连接网线的另外一端;一是隔离网线连接的不同网络设备间的不同电平，以防止不同电压通过网线传输损坏设备。

除此而外，数据汞还能对设备起到一定的防雷保护作用。

编辑本段网络变压器在以太网中的作用在以太网设备中，通过PHY接RJ45时，中间都会加一个网络变压器。

有的变压器中心抽头接到地。

而且接电源时，电源值又可以不一样，3.3V，2.5V，1.8V都有。

这个变压器的作用分析如下：1、中间抽头为什么有些接电源？有些接地？这个主要是与使用的PHY 芯片UTP口驱动类型决定的，这种驱动类型有两种，电压驱动和电流驱动。

电压驱动的就要接电源；电流驱动的就直接接个电容到地即可！所以对于不同的芯片，中心抽头的接法，与PHY是有密切关系的，具体还要参看芯片的datasheet和参考设计了。

2、为什么接电源时，又接不同的电压呢？这个也是所使用的PHY芯片资料里规定的UTP端口电平决定的。

决定的什么电平，就得接相应的电压了。

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.这个变压器到底是什么作用呢，可不可以不接呢。

网口变压器简介

网口变压器简介
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
2019/11/21
7
差模传输特性
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。
理想变压器电压，电流和变比之间的关系
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。
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测试方法来测试 变压器特性。
2019/11/21
27
以太网线的传输模式
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。
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 /差模混合信号。信号与环境间的共模信号
2019/11/21
31
混合差模/共模模式
采用75ohm端接电阻，如图。 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。
2019/11/21
32
共模信号
是引起EMI的最直接原因，产生的原因包括： 不平衡（阻抗，幅值，时间，dv/dt） 串扰 非理参考面（地弹，参考面与机壳间的射频电压）

RJ45网口变压器工作原理及设计指南

RJ45网口变压器工作原理及设计指南
随着网络通信设备的不断小型化 和集成化，RJ45网口变压器也需 要不断向微型化和集成化方向发 展，以满足设备对空间和重量的
要求。
高效率与低能耗
随着环保意识的不断提高，未来 RJ45网口变压器需要不断提高效 率、降低能耗，以实现绿色环保
的发展目标。
多功能与智能化
未来RJ45网口变压器需要具备更 多的功能和智能化特性，例如集 成滤波器、防雷击等，以满足网 络通信设备对信号质量、安全可
02
市场竞争格局变化
随着技术的不断进步和市场需求的不 断变化，RJ45网口变压器的市场竞争 格局也将发生变化，将会有更多的企 业加入到这个市场中。
03
行业标准与规范不断 完善
为了规范市场和促进行业发展，相关 行业标准和规范将不断完善，从而推 动RJ45网口变压器行业的健康发展。
未来发展方向
微型化与集成化
材料选择
选用优质绝缘材料和高导磁材料，以 减小能量损失和电磁干扰。
04
RJ45网口变压器性能测试与 优化
测试方法与标准
测试方法
通过使用网络分析仪、信号发生器和示波器等设备，对RJ45网口变压器的电气性能进行测试，包括插 入损耗、回波损耗、阻抗匹配等参数。
测试标准
依据国际和国内的相关标准，如IEEE 802.3和GB/T 18890等，对RJ45网口变压器的性能进行评估和 比较。
常见应用场景
家庭网络
家庭中常见的路由器、交换机、调制解调器 等网络设备上，通常都会使用到RJ45网口变 压器。
办公网络
办公室中的电脑、服务器、打印机等设备通过网线 连接时，也需要使用到RJ45网口变压器。
工业网络
工业控制系统中，各种传感器、执行器、 PLC等设备之间的通信，也需要用到RJ45网 口变压器。

网络变压器

网络变压器

网络变压器
网络变压器具体有T1/E1隔离变压器；ISDN/ADSL接口变压器；VDSL高
通/低通滤波器模块、接口变压器；T3/E3、SDH、64KBPS接口变压器；10/100 BASE、 1000BASE-TX网络滤波器；DC-DC转换器；还可根据客户需要设计专
用变压器。

产品主要应用于：高性能数字交换机；SDH/ATM传输设备；ISDN、ADSL、VDSL综合业务数字设备；FILT光纤环路设备；以太网交换机等等,如裕泰电子的YL18-2050S,YT37-1107S等比较常见!
数据泵是消费级PCI网卡上都具备的设备，数据泵也被叫做网络变压器或可称 为网络隔离变压器。

它在一块网卡上所起的作用主要有两个，一是传输数据，它
把PHY送出来的差分信号用差模耦合的线圈耦合滤波以增强信号，并且通过电磁 场的转换耦合到不同电平的连接网线的另外一端;一是隔离网线连接的不同网络设备间的不同电平，以防止不同电压通过网线传输损坏设备。

除此 而外，数据汞还 能对设备起到一定的防雷保护作用。

网口变压器简介[1].


2019/3/19
35
一对线的共模模式简化图
2019/3/19
36
共模模式的参数


ZCMC：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。 CCMC：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。
2019/3/19
27
以太网线的传输模式


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。 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 /差模混合信号。信号与环境间的共模信号
2019/3/19 3
简介
变压器的构成： 脉冲（隔离）变压器 共模电感 自耦变压器 电容 电阻 封装/结构（集成变压器中的连接器管脚和走线）
2019/3/19
4
简介

典型的以太网口电路
2019/3/19
5
差模传输特性
2019/3/19
6
差模传输特性
主要考虑差模参数。频率范围考虑从1MHz到 100MHz（CAT5E）和250MHz（CAT6） 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

磁芯的磁化和饱和
2019/3/19
11
非理想参数

有限的磁导率

网口变压器简介


2020/6/11
15
非理想参数
变压器等效电路
2020/6/11
16
频率响应
降低磁化和泄露电感和分布电容可以增加频 率范围
降低磁芯损耗和绕线电阻可以降低插入损耗
2020/6/11
17
频率响应
脉冲上升的时域响应如右图 并联的磁化电感LM对于上升
沿有很大的阻抗，可以忽略 响应曲线是指数阻尼振荡下
42
共模模式的参数
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
2020/6/11
43
共模模式的参数
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。
2020/6/11
47
电流驱动型PHY
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 有意信号产生一个高阻抗，从而影响有意信号。
2020/6/11
3
简介
变压器的构成： 脉冲（隔离）变压器 共模电感 自耦变压器 电容 电阻 封装/结构（集成变压器中的连接器管脚和走线）
2020/6/11
4
简介
典型的以太网口电路
2020/6/11
5
差模传输特性
2020/6/11
6
差模传输特性
主要考虑差模参数。频率范围考虑从1MHz到 100MHz（CAT5E）和250MHz（CAT6）
2020/6/11
8
差模传输特性

网口变压器简介


2013-8-16
7
差模传输特性

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。

理想变压器电压，电流和变比之间的关系
2013-8-16
8
差模传输特性

R2
环形磁芯上的自感和互感
2013-8-16
9
差模传输特性

变压器的线路符号

阻抗的转换
2013-8-16
10
差模传输特性
2013-8-16
44
共模模式的参数
2线共模电感在PHY侧变压器模式的总结： 这种配置对于PHY产生的低频共模噪声有很好的 抑制作用 共模电感和中心抽头电容一起提供了有效的低频 滤波 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。
2013-8-16
2013-8-16
33
75ohm端接的共模阻抗


对于EMI的改善，最好在线缆的终端通过一个低 阻抗直接连接到机壳上。 75ohm端接对于共模信号是否是一个低阻抗？ 75ohm端接对于阻抗匹配更好还是对于共模抑制 更好？
2013-8-16
34
一般变压器的配置


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。 需要注意GND≠0V

绕线电阻

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，0<k<1。漏 磁和绕线技术和磁芯形状有关。
2013-8-16
14
非理想参数

分布电容：绕线和磁芯之间的耦合，相邻绕线间的耦合

网路变压器介绍及应用测试


Ethernet Cable
PHY
NB MB HuB VoIP Switch Webcam ......
變壓器主要功能
傳輸與隔離
利用變壓器的電磁耦合特性，傳遞訊號阻擋異常高壓
抑制雜訊
透過變壓器內的濾波器，達到雜訊的抑制
阻抗匹配
透過調整線圈數，達成阻抗匹配的效果以利傳輸
變壓器主要功能
Isolation Transformer
變壓器工作原理
I common mode noise
Auto Transformer
I Common Mode Choke
Auto Transformer
當共模雜訊進入Auto Transformer時，線圈因感應呈現零 阻抗的狀態，雜訊將透過中間抽頭接地，將雜訊導流
理想變壓器
ZS
I1
I2
+
VS
初級繞線
次級繞線
電生磁、磁生電 導線有電流通過時會產生磁場，磁場中的導線會感應電流 信號為交流 交流的特性可以在導線上產生電流,可在變壓器中傳遞
變壓器工作原理
I common mode noise
I
Common Mode Choke
Common Mode Choke
當共模雜訊進入Common Mode Choke時，線圈因感應 呈現高阻抗的狀態，可將雜訊阻隔
▪ Core有錳鋅及鎳鋅材,μ值1500以下為鎳鋅材,以上為錳鋅 材.
▪ 主Core以耐8 mA DC Bias的材質製作, Choke則以850μ材質為
主,現逐漸以750u材質替代.
主要材料-Wire
Wire使用QPN200 0.10mm R QPN--是指超厚膜聚胺脂/聚銑胺復合漆包 銅線﹐其膜厚最小0.028mm, 可耐4000Vrms. 200 表示漆包層耐溫等級 0.1mm 是指銅線直徑 R 表示Coating層顏色
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2019/1/19
20
频率响应
2019/1/19
21
共模传输特性
2019/1/19
22
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： 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。 对于某些收发器提供一个直流偏置电压或功率源
2019/1/19 3
简介
变压器的构成： 脉冲（隔离）变压器 共模电感 自耦变压器 电容 电阻 封装/结构（集成变压器中的连接器管脚和走线）
2019/1/19
4
简介

典型的以太网口电路
2019/1/19
5
差模传输特性
2019/1/19
6
差模传输特性
主要考虑差模参数。频率范围考虑从1MHz到 100MHz（CAT5E）和250MHz（CAT6） 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

磁芯的磁化和饱和
2019/1/19
11
非理想参数

有限的磁导率
2019/1/19
12
非理想参数

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。
2019/1/19
13
非理想参数
2019/1/19
15
非理想参数

变压器等效电路
2019/1/19
16
频率响应


降低磁化和泄露电感和分布电容可以增加频 率范围 降低磁芯损耗和绕线电阻可以降低插入损耗
2019/1/19
17
频率响应




脉冲上升的时域响应如右图 并联的磁化电感LM对于上升 沿有LL，CD，R2。（假设源阻抗 可以忽略）

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。
2019/1/19
25
变压器参数总结



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） 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 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。

2019/1/19
7
差模传输特性

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。

理想变压器电压，电流和变比之间的关系
2019/1/19
8
差模传输特性

R2
环形磁芯上的自感和互感
2019/1/19
9
差模传输特性

变压器的线路符号

阻抗的转换
2019/1/19
10
差模传输特性
2019/1/19
27
以太网线的传输模式


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。 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 /差模混合信号。信号与环境间的共模信号
2019/1/19
18
频率响应





脉冲峰值的响应曲线如右 图 响应主要决定于磁化电感 和负载阻抗R2 漏感远小于磁化电感，可 以忽略 分布电容可以忽略，因为 电流不经过此电容 负载电压随时间指数降低
19
2019/1/19
频率响应



漏感远小于磁化电感，可 以忽略 响应曲线是指数阻尼振荡 下降 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。

绕线电阻

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，0<k<1。漏 磁和绕线技术和磁芯形状有关。
2019/1/19
14
非理想参数

分布电容：绕线和磁芯之间的耦合，相邻绕线间的耦合

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。
2
2019/1/19
简介
以太网变压器的功能： 满足IEEE 802.3中电气隔离的要求 不失真的传输以太网信号 EMI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。
网口变压器

简介 差模传输特性（功能性特性） 共模传输特性（EMI抑制特性）
2019/1/19
1
简介



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。 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。 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测试方法来测试 变压器特性。
2019/1/19
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变压器共模特性




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 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 EMI性能的测试并不容易，需要特定的测试环境 及测试夹具。 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。
2019/1/19
23
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 因为LCT + △L≠0，所以中心抽头上存在共模电 压。 共模电压在线缆上驱动共模电流，产生辐射。
2019/1/19
24
共模电感

对有意差分信号的传输，以及对无意共模信号的抑制，如 图