RJ网口变压器工作原理及设计指南

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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。
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非理想参数
变压器等效电路
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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
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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
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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。
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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。
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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。
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
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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。
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差模传输特性
R2
环形磁芯上的自感和互感
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差模传输特性
变压器的线路符号
阻抗的转换
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差模传输特性
磁芯的磁化和饱和
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非理想参数
有限的磁导率
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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。
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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。
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电流驱动型PHY
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
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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。
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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。
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共模模式的参数
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。
此电感典型值是10nH
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共模模式的参数
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。
降 振荡幅值和阻尼系数决定于
LL，CD，R2。（假设源Baidu Nhomakorabea抗 可以忽略）
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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
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频率响应
漏感远小于磁化电感，可 以忽略
需要注意GND≠0V
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一对线的共模模式简化图
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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。
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）
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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。
的频率下，EMI抑制效能明显降低。
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正确认识所谓的共模端接
关注线缆侧中心抽头连接以及所谓的共模端接。
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。
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。
所谓的共模端接并没有端接真正的共模信号。
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
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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
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以太网线的传输模式
传输模式的图示
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各传输模式和EMI间的关系
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。
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。
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。
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差分模式
不是EMI直接的原因 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
保持信号线的平衡，对称，阻抗匹配以及合理端 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。
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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。
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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）
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。
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正确认识所谓的共模端接
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。
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共模模式的参数
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.
中心抽头不平衡产生的两个影响： 一是△L1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。
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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
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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
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。
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变压器参数总结
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共模模式的参数
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。
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。
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。
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频率响应
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共模传输特性
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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
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。
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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？
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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。
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共模模式的参数
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。
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。
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差模/共模端接电阻：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。
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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
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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）
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简介
典型的以太网口电路
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差模传输特性
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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）