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网络变压器

出处:硬件十万个为什么 发布于:2019-07-22 13:53:13 | 354 次阅读

  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。
  变压器简介
  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。
  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。
  变压器作用
  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。电流驱动的,需要将抽头接到电源;电压驱动的就通过电容接地。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。
  ⒊这个变压器到底是什么作用呢,可不可以不接呢。从理论上来说,是可以不需要接变压器,直接接到RJ45上,也是能正常工作的。但是呢,传输距离就很受限制,而且当接到不同电平网口时,也会有影响。而且外部对芯片的干扰也很大。当接了网络变压器后,它主要用于信号电平耦合。
  其一,可以增强信号,使其传输距离更远;
  其二,使芯片端与外部隔离,抗干扰能力大大增强,而且对芯片增加了很大的保护作用(如雷击);
  其三,当接到不同电平(如有的PHY芯片是2.5V,有的PHY芯片是3.3V)的网口时,不会对彼此设备造成影响。


  变压器功能
  一、电气隔离
  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。流过双绞线中每一根导线的电流方向,决定每对导线发射噪音的程度。在每对导线上流过差模和共模电流所引起的发射程度是不同的,差模电流引起的噪音发射是较小的,所以噪音主要是由共模电流决定。
  ⒈ 双绞线中的差模信号
  对差模信号而言,它在每一根导线上的电流是以相反方向在一对导线上传送。如果这一对导线是均匀的缠绕,这些相反的电流就会产生大小相等,反向极化的磁场,使它的输出互相抵消。
  ⒉ 双绞线中的共模信号
  共模电流在两根导线上以相同方向流动,并经过寄生电容Cp到地返回。在这种情况下,电流产生大小相等极性相同的磁场,它们的输出不能相互抵消。共模电流在对绞线的表面产生一个电磁场,它的作用正如天线一样。
  三、共模、差模噪音及其EMC
  电缆上噪音有从电源电缆和信号电缆上产生的辐射噪音和传导噪音两大类。这两大类中又分为共模噪音和差模噪音两种。差模传导噪音是电子设备内部噪音电压产生的与信号电流或电源电流相同路径的噪音电流,如图4所示。减小这种噪音的方法是在信号线和电源线上串联差模扼流圈、并联电容或用电容和电感组成低通滤波器,来减小高频的噪音。
  这种噪音产生的电场强度与电缆到观测点的距离成反比,与频率的平方成正比,与电流和电流环路的面积成正比。因此,减小这种辐射的方法是在信号输入端加LC低通滤波器阻止噪音电流流进电缆;使用屏蔽电缆或扁平电缆,在相邻的导线中传输回流电流和信号电流,使环路面积减小。
  共模传导噪音是在设备内噪音电压的驱动下,经过大地与设备之间的寄生电容,在大地与电缆之间流动的噪音电流产生的。
  减小共模传导噪音的方法是在信号线或电源线中串联共模扼流圈、在地与导线之间并联电容器、组成LC滤波器进行滤波,滤去共模传导噪声。
  以太网网络变压器
  网络变压器又名网络隔离变压器、以太网变压器、网络滤波器。产品类型又分为单口、双口、多口、10/100BASE、1000BASE-TX和RJ45接口集成型网络隔离变压器。产品主要应用于:RJ45网卡、以太网交换机、网络路由器、ADSL、VDSL数字设备、EOC终端、EPON/GPON三网融合设备、网络机顶盒、智能电视、网络摄像机、SDH/ATMSDH/ATM、PC主板、工业主板等设备。
  以太网变压器的功能:
  1、满足IEEE 802.3中电气隔离的要求
  2、不失真的传输以太网信号
  3、EMI抑制
  网络变压器主要有信号传输、阻抗匹配、波形修复、信号杂波抑制和高电压隔离等作用。
  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。而接电源时,电源值又可以不一样,3.3V,2.5V,1.8V都有。
  中间抽头有些接电源,而有些接地。这个主要是由使用的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。电流驱动的就要接电源;电压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。接电源时要接不同的电压,也是所使用的PHY芯片资料里规定的UTP端口电平决定的。
  作用
  从理论上来说,可以不需要接变压器,直接接到RJ45上也是能正常工作的。但是传输距离就很受限制,而且当接到不同电平网口时,也会有影响。而且外部对芯片的干扰也很大。当接了网络变压器后,它主要用于信号电平耦合。可以有以下作用:
  可以增强信号,使其传输距离更远;
  使芯片端与外部隔离,抗干扰能力大大增强,而且对芯片增加了很大的保护作用(如雷击);当接到不同电平(如有的PHY芯片是2.5V,有的PHY芯片是3.3V)的网口时,不会对彼此设备造成影响。
  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。
  网络变压器分类
  产品依据结构类型,可以分为两类:a. 离散性网络变压器(DiscreteLAN Magnetics Module);b. 内部集成磁性变压器模块的RJ45连接器 (RJ45 Connector with Integrated Magnetics,ICMs);
  产品依据客户焊接类型,可以分为两类:a. 表面贴装元件 (SMT,Surface Mount Type)b. 插件元件 (TH,Through-Hole Type)
  产品依据传输速率,可以分类四类:a. 10Base-T,b. 10/100Base-T,c. 1000 Base-T,d. 10G Base-T.
  (Base-T: Baseband,双绞线对。简而言之,Base-T是一种以bps速率工作的局域网(LAN)标准,它通常被称为快速以太网,并使用UTP(非屏蔽双绞线)铜质电缆。快速以太网有三种基本的实现方式:Base-FX、 Base-T、和1Base-T4。每一种规范除了接口电路外都是相同的,接口电路决定了它们使用哪种类型的电缆。为了实现时钟/数据恢复(CDR)功能,Base-T使用4B/5B曼彻斯特编码(Manchester Encoding)机制。)


  网络变压器的工作原理:
  3.1 内部结构


  1、共模扼流圈(CMC:Common mode Choke)
  共模扼流圈(Common mode Choke),也叫共模扼制电感,是在一个闭合磁环上对称绕制方向相反、匝数相同的线圈。理想的共模扼流圈对L(或N)与E 之间的共模干扰具有抑制作用,而对L 与N 之间存在的差模干扰无电感抑制作用。但实际线圈绕制的不完全对称会导致差模漏电感的产生。信号电流或电源电流在两个绕组中流过时方向相反,产生的磁通量相互抵消,扼流圈呈现低阻抗。共模噪声电流(包括地环路引起的骚扰电流,也处称作纵向电流)流经两个绕组时方向相同,产生的磁通量同向相加,扼流圈呈现高阻抗,从而起到抑制共模噪声的作用。共模电感实质上是一个双向滤波器:一方面要滤除信号线上共模电磁干扰,另一方面又要抑制本身不向外发出电磁干扰,避免影响同一电磁环境下其他电子设备的正常工作。
  共模扼流圈可以传输差模信号,直流和频率很低的差模信号都可以通过,而对于高频共模噪声则呈现很大的阻抗,所以它可以用来抑制共模电流骚扰。


  共模电感扼流圈是开关电源、变频器、UPS 电源等设备中的一个重要部分。其工作原理:当工作电流流过两个绕向相反线圈时,产生两个相互抵消的磁场 H1、 H2 ,此时工作电流主要受线圈欧姆电阻以及可忽略不计的工作频率下小漏电感的阻尼。如果有干扰信号流过线圈时,线圈即呈现出高阻抗,产生很强的阻尼效果,达到衰减干扰信号作用。
  CMC抑制共模信号:
  顾名思义,共模扼流圈是用来抑制共模噪声信号(无用的信号,干扰信号)的元件,它对共模噪声信号形成高阻抗,而对差模信号(有用的信号)基本上无影响。它是抑制EMI电磁干扰的主要元件,工作原理如下:


  共模信号是指在两输入端输入极性相同的信号。共模信号将导致电磁干扰。电磁干扰分为辐射干扰和传导干扰(进入电源线内)。信号传输不对称和阻抗不匹配时差模信号转换都将产生数字终端设备的共模信号。
  CMC对差模信号无影响:


  共模传输特性
  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


  中间抽头,所以电感两边阻抗相同,所以两边的电流相同,都是Icm的一半,在线圈方向相反。结果产生的磁感应为0。
  非理想中心抽头变压:
  但是:中间抽头不是理想的。首先由线上寄生电感,同时两边的线圈线长不可能理想等长。


  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。
  2、自耦合变压器(Center Tapped Auto-Transformer)
  自耦合变压器对差模信号形成高阻抗,对共模信号基本上无影响,按照以上的接线方式接入线路中,可以有效地进行信号传输,继而进一步减少及抑制了电磁干扰。


  3、扼流圈工作原理及插入损耗特性(或称阻抗特性):
  变压器两脚加上信号电压(差模信号)时,经过磁路耦合作用在变压器的次级端感应出感生电压。对于信号电压,由于CMC两绕组同时流过的信号电流大小相等、方向相反,在CMC的铁芯磁路中产生了方向相反的磁通,相互抵消,不影响差模信号传输。而此时变压器Transformer两绕组流过的则是大小相等,方向相同的电流,致使变压器Transformer的作用相当于一个大的电阻,阻碍差模信号的通过,对载波信号的传输影响极少。所以差模信号被直接耦合加到负载上。而对共模信号来说,主要是通过变压器的初、次级间的分布电容耦合到次级,而此时CMC两绕组流过的是大小相等、方向相同的电流,这时CMC相当于一个大的电阻,阻止共模电流的传输,而变压器Transformer两绕组则是流过大小相等、方向相反的电流,对共模信号相当于短路,这样共模电压基本上不会被传送,而被耦合到负载上。从而既能使载波信号被很好的传输,又能抑制共模干扰信号。
  变压器的中间抽头。中间抽头为什么有些接电源?有些接地?这个主要是使用的phy芯片UTP(双绞线)口驱动类型决定的,有两种,如果是电压驱动的就要接电源;如果是电流驱动的就不用了,直接接个电容到地。为什么有些接2.5v?而有些又接3.3v呢?这个由PHY芯片资料里规定的UTP端口电平决定。如果是2.5v的就上拉到2.5v,如果是3.3v的就上拉到3.3v。
  网络变压器基础材料
  1) 磁芯
  磁芯的分类方法有很多种,目前主要是按外观进行分类的编号方法比较多。在使用过程中,必须了解材料的各方面特性,才能准确判断来料是否符合要求。有些材料的外观大小、颜色、电感值都一样,但它却是两种完全不同的材料,如果检验人员的了解程度有限,轻率的判断必将导致惨重的损失。
  a. 外观:铁芯根据外观分为很多种,有环形(T形)、E形、C形等。见下图:
  b. 涂层:磁环的涂层对磁环起着保护的作用。通常情况下,厂商的编号中都会将磁环的涂层表达出来,用英文字母表示,不同的字母表示不同的涂层厚度和不同的耐压。在下面的编号说明上有具体说明。
  c. 材质:在外形尺寸相同的情况下,磁环的材质不同,则磁环的电感值也就不同,表征磁环材质的参数有十几个,作为进料检验人员,起码要了解其中的三个参数:
  ui值:中文意思是相对磁导率,没有单位。目前我司所使用的磁环ui值有:850(1000)、4700(5000)、10000等几种,在磁环的外观尺寸完全相同时,ui值越高,磁环的电感值就越高。另外此参数同时还表征了磁环频率特性、温度特性、损耗等。
  AL值:AL值定义为磁环的单圈电感值,这个参数直接用于磁环的级别分选。在磁环的外观尺寸完全相同时,ui值越高,磁环的AL值就越高。? 电感值与AL值的关系:
  电感值OCL=AL*T2 这里T是指穿线圈数,(注意:当本绕组有中心抽头时,T为所穿圈数乘以2)
  耐电流情况:对于使用在100/1000BASE产品上的磁环,要求能承受8mA的直流电流,也就是说,用于这类产品的磁环,在作进料检验时,需要增加DC8mA的检验。d. 常用磁环编号举例:
  2) 外壳
  目前我司所使用的外壳主在有:DIP和SMT两类 在使用过程中,必需注意下列参数是否正确:
  a. 外观尺寸:根据承认书对外观尺寸进检验,通常用“游标卡尺”进行测量。在供应商提供的尺寸中,往往有很多,基于测试工具的限制,我们无法一一进行测试,通常对主要参数进行测量。对于一些无法测量的参数,用试装的方法进行检验。
  b. 外观检查:根据“外观检验标准”中的要求进行检验
  c. 耐热试验:
  用于直插PIN产品的外壳:一般将外壳灌满胶,在锡面上3s左右不能有烫伤。
  用于SMD产品的外壳需过IR,看是否有变形、开裂等现象。一般要求能承受260度 IR炉。
  d. 材质:DIP外壳一般使用电木粉(一般用151J料),SMT一般为DAP料(常用DAP9100系列)。
  3) 漆包线
  a. 漆包线是在细铜线外面涂上油漆,以保护铜线不受外力的损坏,根据外表油漆的层数来决定漆包线所能承受的耐电压,目前常用的漆包线有1层、2层、3层、4层等4层漆膜厚度。不同的漆膜材料耐热等级也不一样,常用的有三种耐热等级:130℃(B级) (所谓的低温漆包线)、155℃(F级)、180℃(H级)和200℃(N级)(所谓的高温漆包线)。漆包线的检验通常包括以下几个方面:b. 耐热检验 c. 耐电压试验
  d. 直流电阻测试:通常选取一定的长度测试其直流电阻。e. 线径测试:分“裸径测试”和“带漆膜测试”,“裸径测试”时将漆膜用火烧焯后测试。线径测试工具为“千分尺”。f. 针孔测试:这是检验漆包线的外漆皮是否有小孔,小孔越多,测线材的质量越差,耐电压能力越小。通常这个测试需利用化学试剂来辅助进行。
  g. 外观检验:根据“外观检验验标准”进行检验。
  4) 化工类材料
  a. 高温黑胶
  高温黑胶在使用过程中,必须注意下列事项:
  检验在规定配比条件下,黑胶的是否在规定的时间和温度下硬化,
  同时硬化产生的气泡是否比平常要多,是否容易产生流胶的情况,黑胶硬化后,表面是否光亮,有无油渍。
  耐高温检验:黑胶硬化后,过回流焊,检查硬化后的黑胶是否有裂
  开的情况。(主要针对SMD产品)
  黑胶调配时,电子称是否准确,电子称的精度是否符合要求;l 黑胶调配前,应先将黑胶容器底部的沉淀物用木条绞拌均匀,(通常未开启的整桶黑胶,先将其倒放一天,使其底部沉淀物消散。)然后再进行调配
  按量配好的高温黑胶A/B胶,必须充分绞拌均匀,使黑胶与固化剂充分混合,保证黑胶的固化。
  b. 低温黑胶
  低温黑胶在使用过程中,除注意高温胶所要注意的事项外,必须注意下列事项:
  每次调胶不可太多,如果配制好的黑胶不能及时使用完,很容易硬
  化掉;
  注意观察黑胶表面有无花纹,同时注意验证黑胶在高温下是否容易
  与外壳产生裂开。
  c. 助焊剂
  助焊剂需要检验的项目很多,包括比重、酸碱度、成分组成、卤素含量等。但由于作这些化验需要的设备极为昂贵,故一般厂家采用实际试作的方法来判断来料是否合格。通常在试作中要注意以下几点:
  助焊亣一般分为水溶性助焊剂和免洗助焊剂
  可焊性:焊接时是否比较容易焊接,锡点是否光滑、圆润,是否容易产生连焊、假焊。
  注意焊接时的烟雾、气味。当烟雾过大或气味很浓时,应引起注意。
  氧化:助焊剂的好坏直接影响产品PIN脚的氧化情况,通常有两种情况值得注意:一种氧化情况是在焊接后几分钟内,在产品的PIN脚上形成黄色的覆盖物;另一种情况是产品焊接后,当时焊点很漂亮,但一两天后,产品PIN脚即开始氧化。所以助焊剂的试产,必须让产品流到后段,形成成品,观查一两天后,再作结论。
  d. 酒精
  委托试作即可。主要检验其清洗性能,以及挥发后的残留状况。
  e. 印字白胶印字白胶作为一种化工原料,其相关参数之检验由于仪器的达不到,而变得非常的困难。检验手段采用试作,试作后,主要检验下面几个方面:
  是否在规定的温度及规定的时间内硬化 l 印字是否发黄 印字是否脱落 f. UV胶
  紫外线硬化型印字油墨,具有快速硬化及良好的印刷性,干燥后其耐热性及电气特性特佳。
  5) 包材类
  a. 包装管
  一般使用PVC料。为了符合无卤要求,现改用PS料。b. 纸箱
  一般国内使用B三B材质,出口使用K二K材质。对包材要注意以下几个问题:尺寸
  强度,考虑到在运输过程中的振动及碰撞,所以要求包材要具有一定的强度,以保证产品质量。

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关键词:网络变压器

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