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，一是傳輸數(shù)據(jù)，它把PHY送出來的差分信號用差模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。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繞組中流過時方向相反，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)兩個繞組時方向相同，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。共模電感實質(zhì)上是一個雙向濾波器: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)備中的一個重要部分。其工作原理:當(dāng)工作電流流過兩個繞向相反線圈時，產(chǎn)生兩個相互抵消的磁場 H1、H2，此時工作電流主要受線圈歐姆電阻以及可忽略不計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，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四) 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)-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電壓(差模信號)時，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CMC兩繞組流過的是大小相等、方向相同的電流，這時CMC相當(dāng)于一個大的電阻，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。

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)線之間通過磁場耦合形成的分布式電容系統(tǒng)。這些電容由三個主要維度構(gòu)成： ? 繞組間電容(Cps)：初次級繞組通過骨架/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% 通過阻抗分析儀實測表明，千兆以太網(wǎng)變壓器在1MHz時的等效容抗可達(dá)150Ω，當(dāng)工作頻率超過30MHz時，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信號帶寬形成的dV/dt效應(yīng)會激發(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)會嚴(yán)重扭曲信號傳輸特性： 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)首個諧振點，造成以下典型問題： ? 回波損耗劣化：在諧振頻點S11參數(shù)劣化6-8dB ? 共模噪聲耦合：100MHz時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 實測某型號10G以太網(wǎng)磁芯（Vitec VG2502B）的S參數(shù)曲線顯示，在2.4GHz頻點插損突增2.7dB，經(jīng)仿真驗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，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打印磁芯實現(xiàn)0.05mm氣隙精度控制

4. 測試驗證體系 建立等效電容全參數(shù)檢測平臺： +------------------+ | 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 | | (EP5020A 10MHz-4GHz) | +--------+---------+ | S參數(shù)測量 +--------v---------+ | 三維電場掃描儀 | | (EMSCAN 3000) | +--------+---------+ | 場強(qiáng)映射 +--------v---------+ | 熱仿真工作站 | | (ANSYS Q3D) | +------------------+ 某工業(yè)級PoE++變壓器測試數(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頻段的信號完整眼圖張開度提升38%。溫升實驗表明優(yōu)化設(shè)計使熱點溫度從98℃降至72℃，MTBF提高至15萬小時。 5. 未來技術(shù)趨勢 最新IEEE P802.3cg標(biāo)準(zhǔn)要求10Mbps以太網(wǎng)在1000m距離工作時，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 ? 超材料繞組：采用負(fù)介電常數(shù)metamaterial重構(gòu)電場分布 ? 片上磁集成：TSV硅轉(zhuǎn)接板實現(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)建原子級電容控制 實踐表明，通過精確控制等效電容參數(shù)，新一代網(wǎng)絡(luò)變壓器可實現(xiàn)100Gbps傳輸時的誤碼率低于10^-15，能耗比提升200%，標(biāo)志著磁性元件設(shè)計進(jìn)入納伏安級精密控制時代。

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審核編輯 黃宇