网络变压器的工作原理介绍和EMC设计

网络变压器的工作原理介绍和EMC设计
1、网络变压器的介绍
网络变压器也被称作“数据汞”，也可称为网络隔离变压器。

它在一块网络接口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；二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。

它主要用在网络交换机、路由器、网卡、集线器里面，起到信号耦合、高压隔离、阻抗匹配、电磁干扰抑制等作用。

网络变压器用于交换机和网卡的设计拓扑图：
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。

2、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。

)
3、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：
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。

4、网络变压器PCB设计
设计要点：
一、营造一个无噪音，电源稳定的环境；
二、减少EMI、EMC对芯片的影响；
三、简单的信号布线，减小走线长度。

1、上图中模块A（电容、电阻）应当尽可能的靠PHY。

模块B应当尽可能靠近变压器 (因为当发送时RTL8201从模块A吸收电流；而当接收时,RTL8201将从模块B采集差分信号电压；
2、RJ-45和变压器的距离(L1)应当尽可能的缩短；
3、Rtset信号应当尽可能靠近PHY, 并且如果可能的话应当远离TX+/-,RX+/-,和时钟信号；
4、晶体不应该放置在靠近I/O端口、电路板边缘和其他的高频设备、走线或磁性元件的周围；
5、晶体的外壳良好接地，以避免EMC/EMI带来的外部噪音, 同样晶体的隔离线（retaining straps of the Crystal）也需要良好的接地；
6、磁性元件或客产生磁场的元件应当被隔离并且彼此保持90度的方向，高电流的元件应当靠近电源以减少走线。

高电流走线将产生更多的EMI问题；。

7、终端电阻：如上所述的模块A和B,模块A的电阻电容应当靠近PHY,两个接收终端电阻可以靠近变压器。

为了更好的阻抗匹配,这些电阻/电容对应当仔细选择；
8、PHY和变压器之间的距离 (L2)也应该尽可能的短。

为了实际操作的方便，这一点经常被放弃。

但是，保持Tx±, Rx±信号走线得对称性是非常重要的，而且L2需要保持在一个合理的范围内，最大约
10~300px。

设计实例：
A、网口变压器没有集成在连接器里的网口电路PCB布局、布线规则：
参考上图，需要注意下面几点：
1、变压器与RJ45之间，PHY层芯片与变压器之间的距离应控制在1inch 内。

当布局条件限制时，应优先保证变压器与RJ45之间的距离在1 inch 内；
2、器件布局按照信号流向放置，切勿绕来绕去；
3、变压器下方的地平面要分割，分割线宽度不小于100MIL，网口变压器放置在GND和PGND的分隔线上；
4、每对差分走线都要控制走线长度一致，同时注意控制阻抗为100欧姆；
5、注意PHY层芯片的的数字地和模拟地统一，数字电源和模拟电源使用磁珠进行隔离。

同时要与变压器配合。

注意PHY芯片的电源滤波，按照芯片要求设计；
6、网口指示灯的电源线3.3V或者2.5V来自于电源平面，要对它们使用磁珠和电容进行退耦；指示灯驱动线要靠近PHY串连电阻，并在进入I/O区域之前进行电容滤波。

这样防止噪声通过指示灯电源线耦合到差分线对区域；
7、指示灯电源线和驱动信号线要靠近走线，尽量减小环路面积。

见图左下脚；
8、指示灯线和差分线对要进行必要的隔离，两者要保证距离足够远，如果必要使用GND平面进行隔离；
9、注意网口变压器芯片侧中心抽头对地的滤波电容要尽量靠近变压器管脚，保证引线最短分布电感最小；
10、用于连接GND和PGND的0欧姆电阻或者电容要放置在地分割线上；
11、PHY芯片的模拟电源不要占用大面积平面，从局部铜皮通过走线、磁珠、走线拉到变压器芯片侧中心抽头上；
12、PHY芯片与变压器之间已经没有VDD，将PHY芯片与变压器之间的平面层区域定义为GND，这样可以切断来自VDD平面的噪声途径。

实际处理见下图；
13、沿单板PCB的边缘（不用包住PGND，见图8）每隔250mil打一个接地过孔，这些过孔排可以切断单板噪声向外辐射的途径，减小对PGND静地的影响；
14、单板的PGND、GND通过镙孔和结构相连接，保证系统地电位的统一；
15、保证电源平面和地平面之间的良好退耦（低阻），电源平面最好和地平面相邻；
16、和电源平面相邻的信号线不要超出电源平面的投影区域；
17、要保证和电源平面相邻的信号线的回流路径的完整性，否则就要改变平面的形状，使得信号线处在平面层内，回流路径的不完整会带来严重的EMC问题；
18、推荐把所有的高速信号线、I/O线、差分线对优先靠近地平面走线，如果无法实现才以电源平面作为参考平面；
19、差分线要远离其它信号线，放置其它信号线把噪声耦合到差分线上；
20、为了减小差分信号的噪声，数字信号线或电源要远离模拟信号线或电源；
21、电源的去耦和旁路是十分重要的，它们可以为信号提供一个低阻抗通路，减小电源和地平面间的谐振。

电容可以起到去耦和旁路的作用，但要保证退耦和旁路电容由电容、走线、过孔、焊盘组成的环路的面积尽量小，保证引线电感尽量小，见下图所示：
从上图可见，最右边的情况有最小的环路面积。

从上图可见，左边的布局中，电容要通过长线连接到平面上，存在很大的引线电感；而右边的布局中，退耦电容连线很短，保证了低引线电感的要求。

B、采用一体化连接器的网口电路PCB布局、布线规则：
一体化连接器因为体积小，性能好的优点，应用越来越广泛。

通过实际的应用，发现在一体化连接器可以有效降低网口的EMI。

从上图可以看出，不同在于少了网口变压器，其它大都相同。

下面只针对不同点进行描述。

1、网口变压器是隔离器件，用于切断共模，因为已经被集成在连接器里，所以地平面不再进行分割处理；
2、一体化连接器的外壳应该连接到连续的地平面上。

不要在连接器下面创建机架地；
3、单板周围每隔250mil打接地过孔，将单板噪声屏蔽在板内。

C、电源、地平面的布局
尽管我们一直建议电源和地平面相邻，但是一些对价格敏感的单板可能并不能做到。

下面的建议可以一定程度上减小电源的阻抗。

见下图：
电源层power2并没有与地平面相邻，对地阻抗可能较大，如果退耦不合理就会带来EMC问题。

而且，如果POWER2层被同时分成多个电压区域，跨这些区域的信号线就会因为回流路径不连续产生较大的环路面积，从而导致出现EMC问题。

如果我们在inner4层和bottom层进行地填充，就可以一定程度的降低电源的阻抗，为信号线创造低阻抗通路。

D、差分线对布局、布线要求
差分线对以差分形式存在，具有很强的共模抑制能力，但是如果布局布线不当，差模就可以转化为共模，带来共模噪声。

因此对差分线的处理要注意：
1、差分线对间的距离要保持一致，大约等于线宽；
2、差分线的特征阻抗要控制在100欧姆±10％；
3、建议在内层走线，并尽量和地平面相邻；
4、保持差分线对的对称，任何不对称都会造成差模向共模的转变。

E、差分信号终端电阻、滤波电容的布局、布线
49.9欧姆的终端电阻（有的PHY可能没有）必须靠近PHY芯片的TX和RX管脚放置，两个终端电阻的中间必须和地以尽可能短的连线相连。

如下图所示：
如上图所示：右侧的两个4.7PF电容对于高频噪声具有良好的抑制能力，但是只有保证了电容引线的低电感，才能起到应由的作用。

两个滤波电容必须良好对称，保证平衡，否则差模可能转成共模，带来共模噪声。

使用中还要注意，电容的取值不能太大，太大的电容会影响信号的质量甚至功能。

另外，这两个4～7PF的电容可以通过平面来产生，大家知道，平面电容的分布电感是十分低的，在与地平面相邻的信号层无走线区域打一块补丁，就可以产生一个高性能电容。

见下图：
F、选择高共模抑制能力的变压器
变压器的共模抑制能力可以降低差模向共模的转变，但是在变压器的datasheet里一般并不会列出EMC测试范围内的共模抑制性能。

这样给变压器的选择带来困难。

1、选择在线路侧有共模呃流圈的变压器。

2、使用支持自协商的变压器可能会降低共模抑制能力，这种变压器的收、发对称，而且收、发线圈的中心抽头连接在一起。

G、变压器线路侧的共模电阻和高压电容
变压器线路侧的75欧姆电阻和高压电容为UTP电缆提供了共模通路，在布局、布线时注意：
1、把这些共模电阻靠近变压器中心抽头放置；
2、电阻和电容的连接要使用短而粗的走线（10～15mil）。

按照变压器结构的不同，主要可以分为下面两种情况：
对于下图1的情况，推荐电阻的值取75欧姆，但这样做的前提是保证机架地是静地。

对于下图2的情况，推荐电阻的值取0欧姆
H、改变差分线号的传输波形
某些PHY芯片可以通过设置特定管脚内部的寄存器改变信号的上升、下降沿。

一定程度的减缓信号的上升沿（或下降沿）可以一定长度的减少EMI。

5、网口防雷电路设计
网口的防雷可以采用两种思路：一种思路是要给雷电电流以泄放通路，把高压在变压器之前泄放掉，尽可能减少对变压器影响，同时注意减少共模过电压转为差模过电压的可能性。

另一种思路是利用变压器的绝缘耐压，通过良好的器件选型与PCB设计将高压隔离在变压器的初级，从而实现对接口的隔离保护。

下面的室外走线网口防雷电路和室内走线网口防雷电路就分别采用的是这两种思路。

室外走线网口防雷电路
当有可能室外走线时，端口的防护等级要求较高，防护电路可以按图7-8设计。

室外走线网口防护电路
图a给出的是室外走线网口防护电路的基本原理图，从图中可以看出该电路的结构与室外走线E1口防雷电路类似。

共模防护通过气体放电管实现，差模防护通过气体放电管和TVS管组成的二级防护电路实现。

图中G1和G2是三极气体放电管，型号是3R097CXA，它可以同时起到两信号线间的差模保护和两线对地的共模保护效果。

中间的退耦选用2.2Ω/2W电阻，使前后级防护电路能够相互配合，电阻值在保证信号传输的前提下尽可能往大选取，防雷性能会更好，但电阻值不能小于2.2Ω。

后级防护用的TVS管，因为网口传输速率高，在网口防雷电路中应用的组合式TVS管需要具有更低的结电容，这里推荐的器件型号为SLVU2.8-4。

图b就是采用上述器件网口部分的详细原理图。

三极气体放电管的中间一极接保护地PGND，要保证设备的工作地GND和保护地PGND通过PCB走线在母板或通过电缆在结构体上汇合（不能通过0Ω电阻或电容），这样才能减小GND和PGND的电位差，使防雷电路发挥保护作用。

电路设计需要注意RJ45接头到三极气体放电管的PCB走线加粗到40mil，走线布在TOP层或BOTTOM 层。

若单层不能布这么粗的线，可采取两层或三层走线的方式来满足走线的宽度。

退耦电阻到变压器的PCB走线建议采用15mil线宽。

该防雷电路的插入损耗小于0.3dB，对100M以太网口的传输信号质量影响比较小。

室内走线网口防雷电路
当只在室内走线时，防护要求较低，因此防雷电路可以简化设计，如图所示，a是室内走线网口防护电路的基本原理图，图b是防护器件选用SLVU2.8-4时网口部分的详细原理图。

室内走线网口防护电路
RJ45接头的以太网信号电缆是平衡双绞线，感应的雷电过电压以共模为主，如果能够对过电压进行有效的防护，差模的防护选用小量级的器件就可以了，通常可以选用SLVU2.8-4,它可以达到差模0.5kV（1.2/50us）的防护能力，但是当产品目标包括北美市场时，差模防护器件推荐选用LC03-3.3,它可以满足NEBS认证的需求。

我们从共模防护的角度对这两种电路做一下比较。

室外的电路采用气体放电管实现共模的防护，当端口处有共模过电压产生时，通过击穿气体放电管转化成过电流并泄放，从而达到保护的目的。

而图7-9中的网口防护电路只设计了差模的防护电路，没有设计共模的防护电路，它在端口的共模防护上采用就是我们前面说的隔离保护的思路，它利用网口变压器的隔离特性实现端口的共模防护。

当端口处有过电压产生时，这个过电压会加到网口变压器的初级，由于变压器有一定的隔离特性，只要过电压不超过变压器初级与次级的耐压能力而被击穿，过电压会完全被隔离在初级侧，从而对次级侧基本不造成影响，达到端口保护的目的。

从上述原理可以看出，室内防护这种电路的共模防护主要靠变压器前级的PCB走线以及变压器的绝缘耐压实现，因此要严格注意器件的选型和PCB的设计。

首先，在以太网口电路设计时应树立高压线路和低压线路分开的意识。

其中变压器接外线侧的以太网差分信号线、Bob-Smitch电路是直接连接到RJ45接头上的，容易引入外界的过电压（如雷电感应等），是属于高压信号线。

而指示灯控制线、电源、GND是由系统内提供，属于低压线路。

根据网口连接器不同，网口电路分为带灯和不带灯两种，其中尤以带灯连接器的网口防雷问题更为突出，因此下面以网口带灯电路为例具体说明如何区分高压线路与低压线路。

网口带灯的典型电路如下图所示：
网口部分电路组成
当网线上遭受感应雷击时，会在8根网线上同时产生过电压。

从安全的角度分析，应把网口部分分为高压区和低压区，如上图所示，虚线框内即为高压区。

因此网线感应雷电时主要在高压区有比较高的过电压。

但是，在高压区仅有8根网线和相连的网络为高压线，而指示灯驱动线、3.3V供电电源、连接器外壳地PGND为低压线，网口电路Bob-Smith电路中匹配电
阻属于高压，指示灯限流电阻属于低压范围，变压器线缆侧中间抽头电容一端为高压端，接PGND的一端为低压端。

其次，网口防雷电路在器件选型和PCB设计过程中要注意以下几点：
为了保证共模隔离耐压的承受能力，变压器需要满足初级和次级之间的交流绝缘耐压不小于AC1500V的指标。

优先选择不带灯的RJ45，要引灯的话，建议采用导光柱技术在芯片侧将指示灯的光线引到面板上，避免指示灯控制信号穿越高压信号线和Bob-Smitch电路所在的区域。

指示灯控制电路的限流电阻应放在控制芯片侧，位置靠近控制芯片，防止过电压直接对控制芯片造成冲击。

以太网信号线按照差分线走线规则，保证阻抗匹配，并且一对差分线的长度尽量一样长。

如果变压器前级（靠RJ45接头侧）有中间抽头并且采用Bob-Smith电路，即75Ω电阻加一个1000pF的接PGND的电容。

建议电容选取耐压大于DC2000V，电阻功率建议选择1/10W的单个电阻，不宜采用排阻。

一个以太网接口采用一个Bob-Smitch电路，避免将多个以太网接口的Bob-Smitch电路复接在一起。

对于PCB层数大于6层的单板，由于相邻层的绝缘材料小于12mil，因此高压线和低压线不应布在相邻层，更不应交叉或近距离并行走线。

由于通过变压器的隔离特性完成共模防护，所以高压信号线（差分线和Bob-Smitch电路走线）和其它信号线（指示灯控制线）、电源线、地线之间应该保证足够的绝缘，不存在意外的放电途径。

最后，要达到高压区与低压区之间有效的隔离，就要重视二者之间的PCB走线设计。

在高压区，带高压的可能有：连接器管脚、布线、过孔、电阻焊盘、电容焊盘。

带低压的可能有：布线、过孔、电阻焊盘、螺钉。

根据测试结果和分析，我们总结得到在网口PCB部分高低压各种形式两两之间的绝缘耐压数据，具体如下表（表中给出的是高压与低压部分距离为10mil时候的耐压情况）：
绝缘耐压测试结果
注：上表中红色数据为直接试验得到，黑色数为据根据试验和具体情况分析得到。

蓝色数据为原理分析数据，设计过程中建议按照该数值进行设计。

从表中可以看出，对于相同的绝缘距离，耐压能力为接地螺钉< 电容、电阻焊盘 < 走线过孔 < 表层走线 < 内层走线，因此当共模防护指标一定时，高压部分与低压部分的绝缘距离应该为接地螺钉 > 电容、电阻焊盘 > 走线过孔 > 表层走线 > 内层走线。

这是因为螺钉整个为金属体，暴露面积比较大，容易成为放电通路。

电容和电阻焊接两端表面为金属，同时由于形状为长方体，有棱角，很容易形成尖端放电。

过孔在网口部分有很多，表面是亮锡的，也容易产生击穿放电，但与电阻和电容焊接两端相比较，金属面积相对就小一些。

PCB板的表层走线涂有绝缘绿油，内层的走线有介质包围，相对上面几种，耐压能力就应该高一点。

在设计中，根据具体产品要求的抗浪涌等级，利用下表中的数据，就可以推算出PCB设计需要控制的各种绝缘距离。

给出了在防护等级是4kV的时候，PCB设计要达到的安全绝缘距离。

其他问题解答：
1、变压器中心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？
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。

21 / 21。