在信息化時代，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)日新月異，高速、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸成為企業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素。網(wǎng)絡(luò)變壓器作為通信設(shè)備中不可或缺的組件，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。今天沃虎來為您全面介紹網(wǎng)絡(luò)變壓器的基本概念、如何選型以及其設(shè)計應(yīng)用,方便大家更加全面的認(rèn)識網(wǎng)絡(luò)變壓器產(chǎn)品，不足之處歡迎討論!
一、 網(wǎng)絡(luò)變壓器的概述
網(wǎng)絡(luò)變壓器，是一種專門用于網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域的電子元器件，也是實現(xiàn)以太網(wǎng)與終端接口連接的關(guān)鍵組件，肩負(fù)著信號傳輸、阻抗匹配、雜波抑制以及高壓隔離等多重使命，為確保數(shù)據(jù)在傳輸過程中的穩(wěn)定性和安全性，在通信領(lǐng)域中扮演著不可或缺的角色。網(wǎng)絡(luò)變壓器的核心組成部分包括磁芯、線圈、骨架、屏蔽罩以及連接器等。其工作原理基于電磁感應(yīng)，通過一次側(cè)線圈接收到的信號在磁芯中產(chǎn)生變化的磁場，進而在二次側(cè)線圈中感應(yīng)出電壓，以此完成信號的傳遞。
當(dāng)然，從理論上講，以太網(wǎng)可以直接與終端接口相連，但外部電路的干擾以及傳輸距離的限制，使得這一方案在實際應(yīng)用中存在瓶頸。網(wǎng)絡(luò)變壓器的介入，憑借其獨特的繞線結(jié)構(gòu)——差模電感與共模電感的結(jié)合，有效地抑制了共模和差模信號的干擾，實現(xiàn)了信號的濾波和增強，從而顯著提升了信號的傳輸距離。
此外，網(wǎng)絡(luò)變壓器的應(yīng)用也為以太網(wǎng)與外部電路之間構(gòu)建了一道有效的隔離屏障，大大增強了系統(tǒng)的抗干擾能力。即便面臨不同電壓的接入，也能確保以太網(wǎng)本身的穩(wěn)定運行。同時，網(wǎng)絡(luò)變壓器也為設(shè)備提供了一定程度的防雷保護。
二、 網(wǎng)絡(luò)變壓器構(gòu)成件及工作原理
網(wǎng)絡(luò)變壓器基礎(chǔ)三大件為：T件(Transformer，變壓器)、K件(Common mode Choke，共模扼流圈)、A件(Center Tapped Auto-Transformer，中心抽頭自耦變壓器)；根據(jù)組合方式不同，網(wǎng)絡(luò)變壓器又分為：單T件網(wǎng)絡(luò)變壓器、T件+K件網(wǎng)絡(luò)變壓器、T件+三線穿環(huán)K件網(wǎng)絡(luò)變壓器和T件+K件+A件網(wǎng)絡(luò)變壓器。
1、單T件網(wǎng)絡(luò)變壓器
如下圖所示。為單T件網(wǎng)絡(luò)變壓器及其阻止EMI傳向PHY芯片和數(shù)據(jù)信號傳輸示意圖。
單T件網(wǎng)絡(luò)變壓器及信號傳輸示意圖
在Pin4和Pin6上的EMI干擾線號（橙色信號），大小相等，方向相反，波形完全相同。他們在次級上下兩個線圈中引起的電流大小相等、方向相反，相互抵消。兩電流在磁環(huán)內(nèi)引起的磁通變化互相抵消了。磁通變化為零，意味著次級上、下兩個線圈呈現(xiàn)的感抗為零，可以用兩根短路線代替它們。EMI通過兩根短路線。中間抽頭、R-C串聯(lián)電路將EMI泄放到地線上，進而減小了EMI的幅度。
同樣的道理，來自內(nèi)部電路的EMI將通過初級線圈的中間抽頭和C2泄放到地線上，可減少設(shè)備內(nèi)部的EMI通過導(dǎo)線向空中發(fā)射的幅度。
藍色信號為數(shù)據(jù)電壓信號，在次級上下兩個線圈中引起的電流大小相等、方向相同，在T件次級線圈內(nèi)部引起的磁通變化互相疊加，呈現(xiàn)高感抗。
可見帶中間抽頭的網(wǎng)絡(luò)變壓器具有阻斷EMI在其初級—次級線圈之間互相傳播的作用。
2、T件+K件網(wǎng)絡(luò)變壓器
T件+K件網(wǎng)絡(luò)變壓器示意圖及信號傳輸?shù)氖疽鈭D如下圖所示。
圖1 T件+K件絡(luò)變壓器及信號傳輸示意圖
圖1所示為T件和K件（扼流圈）組成網(wǎng)絡(luò)變壓器的原理圖。在網(wǎng)絡(luò)變壓器中增加K件，是因為K件對有用的數(shù)據(jù)電壓（差分）信號沒有衰減作用，但可以衰減EMI。增加K件后可以進一步阻斷EMI在其初級一次級線圈之間互相傳播。
如上圖右側(cè)所示橙色信號為EMI、藍色信號為電壓差分信號；橙色和藍色箭頭分別代表EMI和數(shù)據(jù)電壓信號在K件和T件初級線圈的電流方向。分析可知，當(dāng)數(shù)據(jù)電壓信號從Pin4和Pin6流經(jīng)K件的上下兩個線圈時，其電流大小相等，方向相反。它們在K件磁環(huán)內(nèi)部引起的磁通變化互相抵消了。磁通變化為零，意味著K件上、下兩個線圈呈現(xiàn)的感抗為零。也就是說，不考慮K件內(nèi)阻影響的情況下，K件對數(shù)據(jù)電壓信號沒有衰減能力。
如上圖橙色箭頭可知，當(dāng)EMI流經(jīng)K件上下兩個線圈時，產(chǎn)生的電流大小相等，方向相同。它們在K件磁環(huán)內(nèi)部引起的磁通變化互相疊加。K件呈現(xiàn)的感抗ZL將按以下公式隨著頻率的上升而線性增加。L為K件的電感。
ZL=2πfL
K件是串聯(lián)在EMI回路中的， EMI在到達T件次級線圈之前，有相當(dāng)一部分要降在K件兩端，所以扼流圈起到阻斷EMI的作用。K件對EMI中高頻成分的阻斷效果更好，因為頻率越高越大，降在K件兩端的EMI越大。同樣的道理，K件還可以阻斷設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的EMI傳送到導(dǎo)線上。T件+K件網(wǎng)絡(luò)變壓器相較于T件網(wǎng)絡(luò)變壓器對于EMI的衰減能力進一步提升。
3、T件+K件+A件網(wǎng)絡(luò)變壓器
下圖1為由T件、K件和A件（自耦變壓器）組成的T件＋K件+A件網(wǎng)絡(luò)變壓器的原理圖。圖中新增加A件的電感量比較大，通常在1.5~2.0mH。
在網(wǎng)絡(luò)變壓器中再增加A件，是因為增加了電感量很大的A件對有用的數(shù)據(jù)電壓信號沒有明顯的衰減，但可以更進一步阻斷EMI在變壓器初一次級之間傳播。
圖1 T件+K件+A件網(wǎng)絡(luò)變壓器示意圖
如下圖2所示網(wǎng)絡(luò)變壓器傳送數(shù)據(jù)電壓信號和EMI的示意圖。在圖中藍色信號為數(shù)據(jù)電壓信號、橙色信號為EMI；橙色箭頭和藍色箭頭分別是數(shù)據(jù)電壓信號和EMI信號在網(wǎng)絡(luò)變壓器中電流的方向。
圖2 T件+K件+A件網(wǎng)絡(luò)變壓器信號傳輸示意圖
從圖中可以看出，EMI經(jīng)過自耦變壓器上、下兩個線圈時，其方向相反，它們在A件磁環(huán)內(nèi)部引起的磁通變化互相抵消，因此A件呈現(xiàn)的感抗接近于零，EMI通過R-C串聯(lián)電路泄放到地線上，因而減小了EMI的幅度。A件的泄放作用同T件的次級線圈作用相似。而數(shù)據(jù)電壓信號在經(jīng)過自耦變壓器上下兩個線圈時，其方向相同，他們在A件磁環(huán)內(nèi)部引起的磁通變化互相疊加，因此A件呈現(xiàn)的感抗很大。
EMI經(jīng)過A件（自耦變壓器）、K件（扼流圈）和T件次級線圈三重處理，使得EMI的幅值大大降低，該網(wǎng)絡(luò)變壓器對EMI的衰減能力大大提升。
注意：
網(wǎng)絡(luò)變壓器中的K件和A件可以進一步遏制內(nèi)外產(chǎn)生的EMI在網(wǎng)口通訊電路中傳播，但它們也對正常的數(shù)據(jù)信號產(chǎn)生一定負(fù)影響，因為K件和A件都具有寄生和分布參數(shù)。例如，K件和A件各自兩個線圈之間都有線間電容，這些電容都是并聯(lián)在Pin6和Pin4兩端的。在網(wǎng)絡(luò)變壓器輸出或輸入端并聯(lián)電容，必定會壓縮其高頻端的頻帶，頻帶變窄，將使通過它的數(shù)據(jù)電壓信號的上升前沿和下降后沿變慢，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳送的速率降低。因此，在網(wǎng)絡(luò)變壓器中安排一個K件和一個A件，或者在其T件初級側(cè)、次級側(cè)各安排一個K件就足夠了。如果再增加K件或A件的數(shù)目，不僅增加生產(chǎn)成本，還會降低數(shù)據(jù)傳送的速率。
由于T件次級線圈起到A件的作用，所以目前用得最多的是T件、K件組成的網(wǎng)絡(luò)變壓器。
三、 網(wǎng)絡(luò)變壓器的分類
網(wǎng)絡(luò)變壓器主要分類 依據(jù)以下幾個核心參數(shù)：結(jié)構(gòu)類型 封裝類型 傳輸速率 端口數(shù) 應(yīng)用環(huán)境 以及POE供電能力
1. 依據(jù)結(jié)構(gòu)類型分類：
分離式網(wǎng)絡(luò)變壓和集成網(wǎng)絡(luò)變壓器模塊的RJ45連接器
WHSG24002G
單口千兆網(wǎng)絡(luò)變壓器
SYT-320DBL
RJ45集成千兆變壓器
2. 依據(jù)封裝類型分類：
SMD表面貼片
DIP插件穿孔
WHSG24002G
單口千兆貼片網(wǎng)絡(luò)變壓器
WHDG24102G
單口千兆插件網(wǎng)絡(luò)變壓器
3. 依據(jù)傳輸速率分類：
10/100 Base-TX
Gigabit Base-TX
2.5G Base-T
5G Base-T
10G Base-T
WHS16013LF
百兆網(wǎng)絡(luò)變壓器
WHSG24301G
千兆網(wǎng)絡(luò)變壓器
WHSQ24301G
2.5G/5G網(wǎng)絡(luò)變壓器
WHSM24002G
10G網(wǎng)絡(luò)變壓器
4. 依據(jù)Port數(shù)目分類：
單口(Single Port)
雙口(Dual Ports)
四口(Quad Ports)
WHS40005G
四口百兆非POE
WHSG24015G
單口千兆 POE：15W
WHSG24719PTG
單口千兆 POE：30W
5.依據(jù)客戶的應(yīng)用環(huán)境 工作溫度分類：
消費電子 (Consumer Operation Temp.: 0~70°C)
工業(yè)設(shè)備 (Industry Operation Temp.: -40~+85°C)
汽車 (Automotive Operation Temp.: -40~+125°C)
軍工與航天 (Mili-Aero Operation Temp.: -55~+155°C)
WHS16013LF
（消費）
WHS16037TG
（工業(yè)）
WHS16002GA
（汽車）
WHS16002GM
（軍工）
6. 依據(jù)POE供電能力分類：
非PoE
(Meets IEEE802.3ab Standard)
PoE
(15W供電能力， Meets IEEE802.3af Standard)
PoE+(30W及以上供電能力，Meets
IEEE802.3at Standard)
4PPoE
(90W供電能力， Meets IEEE802.3bt Standard)
WHS40005G
（ 四口百兆非POE）
WHSG24015G
（單口千兆 POE：15W）
WHSG24719PTG（單口千兆
POE：30W）
WHSQ24702-1PTG
（2.5G/5G POE:90W）
四. 網(wǎng)絡(luò)變壓器設(shè)計選型
PHY芯片根據(jù)接口的驅(qū)動類型，分為電壓型PHY和電流型PHY。在實際組網(wǎng)的過程中，本端設(shè)備是無法預(yù)知對端設(shè)備的類型以及電平要求的，但由于變壓器的存在，所以不同類型的PHY芯片的互連只需要參照不同電平交流耦合時的策略即可，即只管好自己本地匹配。當(dāng)兩邊都是電壓型PHY的情況下，由于電壓型PHY的接口是標(biāo)準(zhǔn)的，通過變壓器互連不存在任何問題，變壓器中心抽頭直接通過電容接地即可；兩邊是電流型PHY時，由于電流型PHY的接口驅(qū)動需要的是灌電流，所以變壓器中心抽頭需接電源，上拉電壓視PHY芯片本身要求的共模電壓而定；當(dāng)電壓型PHY和電流型PHY對接時，兩邊的抽頭上拉電源按各自PHY芯片要求即可，即使兩者不同也無所謂，因為變壓器無法傳輸直流電壓。
圖1 電壓型PHY和電流型PHY對接
共模電感分為兩線共模和三線共模兩種，放置位置可以是PHY側(cè)也可以是cable側(cè)或者兩邊都放。幾種放置方式如圖1所示。
圖2 共模電感放置位置示意圖
共模電感放置在cable側(cè)可以更好地過濾變壓器不平衡導(dǎo)致的干擾，這是其相較于放置于PHY側(cè)的一個優(yōu)勢，但在POE供電的場景下，PHY側(cè)的共模電感無需承擔(dān)POE電流，不易飽和，所以其體積可以做得更小，在布局上是受益比較大，且其EMC性能也較好。由于電流型PHY需要外接電源提供電流，在配套兩線共模電感使用時，輸出低電平時，電流經(jīng)過主變壓器以及共模電感上半線圈形成回路，輸出高電平時反之，輸出0時則經(jīng)過共模電感兩個線圈形成回路，當(dāng)電流只流經(jīng)一個線圈時，產(chǎn)生的磁場無法抵消，共模電感表現(xiàn)為高阻抗，從而影響正常信號的信號質(zhì)量。使用三線共模時，則無論輸出何種店鋪，電流都會流過兩個線圈且方向相反，磁場相互抵消，對信號無影響。
圖3 兩線共模與三線共模電感配合電流型PHY
如果對相關(guān)的EMC指標(biāo)要求較高，則會采用如圖1（c）所示的結(jié)構(gòu)，在PHY側(cè)和cable側(cè)均布置共模電感。為了適配電流型PHY，可將PHY側(cè)的共模電感改為三線共模。綜上，在無需POE供電的場景下，采用兩線共模電感、cable側(cè)放置方案的兼容性和收益較高，但在POE場景下，則可優(yōu)先考慮三線共模、PHY側(cè)放置的方案。
根據(jù)以上分析，整理出下表，在選用以太網(wǎng)變壓器時，可做參考：
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五.網(wǎng)絡(luò)變壓器設(shè)計應(yīng)用
1.分離式網(wǎng)變應(yīng)用：
下圖1以太網(wǎng)的典型應(yīng)用。我們的PCB設(shè)計基本是按照這個框圖來布局布線，下面我們就以這個框圖詳解以太網(wǎng)有關(guān)的布局布線要點。
圖1 網(wǎng)口變壓器沒有集成在網(wǎng)口連接器里的參考電路
PCB布局、布線圖，下面就以圖2介紹以太網(wǎng)電路的布局、布線需注意的要點。
圖2 變壓器沒有集成在網(wǎng)口連接器的電路PCB布局、布線參考
2.變壓器分離的的RJ45設(shè)計方式
非集成型RJ45接口
3.PCB布局要求
1）變壓器和RJ45接口分離的情況下，如圖所示，RJ45接口和變壓器之間的距離盡可能的縮短（在滿足工藝要求的情況下）
變壓器和RJ45接口的間距
2）以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換芯片PHY和變壓器之間的距離也應(yīng)該盡可能的短，距離一般不超過5inch，若RJ45接口自帶變壓器，則以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換芯片盡可能的靠近RJ45接口放置，如下圖所示。
PHY芯片的間距要求
3）如下圖所示交流端接電阻的放置，一般先按照芯片手冊推薦的放置，有的芯片會要求放置在以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器端，如沒有特殊要求，就靠近以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換芯片放置；
交流端接電阻的放置
4）復(fù)位電路信號應(yīng)當(dāng)盡可能的靠近以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換芯片，如果可能的話應(yīng)當(dāng)遠離TX+/-、RX+/-差分信號和時鐘信號；
5）時鐘電路應(yīng)當(dāng)盡可能的靠近以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換芯片，遠離電路板的邊緣以及其它高頻信號、IO端口走線和其它磁性元器件；
根據(jù)以上布局要求，總體布局示意可以歸納如下圖所示
RJ45布局總體示意圖
4.PCB布線要求
1）TX+,TX-和RX+,RX-盡量走表層，這兩組差分對之間的間距至少4w以上,對內(nèi)的等長約束為5mil,兩組差分對之間不需要等長，如圖1
圖1 RX、TX差分布線要求
2）考慮到變壓器為干擾源，變壓器下面所有層需要進行挖空處理，挖到變壓器的絲印即可，不用挖到焊盤，如圖2。
圖2 變壓器本體下面挖空
3)PHY芯片到CPU的發(fā)送部分
（ GTX_CLKTX_ENTX_ERTXD[7:0]）和
接收部分（GRX_CLKRX_DVRX_ERRXD[7:0]）
要分開布線，不要將接收和發(fā)送網(wǎng)絡(luò)混合布線、線與線直接的間距滿足3W，RX和TX分別等長，等長范圍在100mil，阻抗控制50歐姆。
4）電源信號的走線，包括退耦電容的走線、電源線、地線應(yīng)保持短而寬，退耦電容上的過孔直徑最好稍大一點，每一個電容都應(yīng)該有一個獨立的過孔到地，不要共用地過孔；
5）交流端接一般要通過電阻以后再連接到芯片或者變壓器上面，不允許有STUB線的出現(xiàn)；
6）對于千兆以太網(wǎng)的差分對，要優(yōu)先選擇最優(yōu)的信號層進行布線，過孔的數(shù)量不要超過兩個，并且打孔換層的時候，要在200mil的范圍內(nèi)增加回流地過孔，如圖3。
圖3 回流孔的放置
7）電源和地的處理原則：RJ45底盤接地和數(shù)字地通過一個1M歐姆的電阻和一個0.1uF的去耦電容隔離。其底盤接地和數(shù)字地的間距，必須比60mil寬。如圖4及圖5所示。
圖4 典型變壓器集成單RJ45的機箱/數(shù)字地平面
圖5 典型RJ45和變壓器分開的機箱/數(shù)字地平面
所有不同的電源電壓的的數(shù)字和模擬電源平面應(yīng)當(dāng)隔離。如圖6及圖7所示。
圖6 典型變壓器集成單RJ45的數(shù)字/模擬電源平面
圖7 典型RJ45和變壓器獨立的數(shù)字/模擬電源平面
注意
從以太網(wǎng)物理層接口器件過來的信號接往RJ45網(wǎng)口插座時需要注意：金屬機殼以及與印制板相連的金屬前面板應(yīng)與印制板內(nèi)部電路（包括信號和地線層）隔離至少 5mm 以上，印制板靜電電流泄放通路的地應(yīng)優(yōu)先選擇機殼地，板上的金屬部件和金屬接插件能就近接機殼的應(yīng)就近接機殼，無法就近接機殼的接靜電保護地環(huán)或工作地,工作地應(yīng)是大面積的地層。
六、為什么選擇我們？
沃虎（VOOHU）具有自主互聯(lián)網(wǎng)平臺。
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今后我們會在自己專長的領(lǐng)域持續(xù)深耕細作，滿足更多客戶的需求和信賴。
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沃虎電子，創(chuàng)立于2018年，注冊資金1000萬元。是全球領(lǐng)先的通信電子元件供應(yīng)商，方案解決商，互聯(lián)網(wǎng)電商。沃虎采用互聯(lián)網(wǎng)模式，為客戶提供產(chǎn)品和方案的數(shù)字化選型設(shè)計定制，堅持為客戶創(chuàng)造價值。通過自主互聯(lián)網(wǎng)平臺提升效率，將可靠穩(wěn)定的產(chǎn)品提供給全球用戶，形成完善的通訊電子元器件產(chǎn)品矩陣，高效為客戶提供極具性價比的整套解決方案。
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