Analyse der äquivalenten Kapazität von Netzwerktransformatoren

Analyse der äquivalenten Kapazität von Netzwerktransformatoren: Mechanismus, Auswirkungen und Optimierungstechniken

1. Wesentliche Eigenschaften der äquivalenten Kapazität

Die äquivalente Kapazität in einem Netzwerktransformator bezieht sich speziell auf sein parasitäres Kapazitätsnetzwerk, das ein verteiltes Kapazitätssystem ist, das durch magnetische Feldkopplung zwischen Wicklungsleitern gebildet wird. Diese Kapazitäten bestehen aus drei Hauptdimensionen:

• Inter - Wicking Capacitance (CPS): Die primäre und sekundäre Wicklungen bilden eine flache Kondensatorstruktur durch die Skelett-/Schildschicht mit einem typischen Wert von etwa 0,5 - 5PF

• Zwischenschichtkapazität (Ton): Die verteilte Kapazität zwischen benachbarten Leitern, wenn mehrere Drähte parallel gewickelt werden und eine einzelne Schicht 0,1 PF/cm² erreichen kann

• Kernkupplungskapazität (CCORE): Der Verschiebungsstrompfad zwischen der Spule und dem Material mit hohem Permeabilitätsmaterial, der etwa 15% der Gesamtkapazität entspricht

Der Impedanzanalysator wurde verwendet, um die äquivalente kapazitive Reaktanz eines Gigabit -Ethernet -Transformators bei 1 MHz zu messen, und dieser Parameter dominiert die Impedanzeigenschaften der Übertragungsleitung, wenn die Betriebsfrequenz 30 MHz überschreitet. Dieses Phänomen ist besonders im Power (802.3BT) -Strestsystem erkennbar, wobei der DV/DT -Effekt, der durch die 80 -V -Stromversorgungsspannung und die 2,5 -GHz -Signalbandbreite gebildet wird, kapazitive Kopplungsrauschen anregt.

2. Effekt

Das durch die äquivalente Kapazität gebildete LC -Resonanz -Netzwerk und die Wickelinduktivität werden die Signalübertragungseigenschaften ernsthaft verzerren:

f_ {res} = \ frac {1} {2π \ sqrt {l_ {leck} c_ {äqu}}}

 Der Standard -RJ45 -Grenzflächentransformator (350UH -Leckage -Induktivität, 3.5PF -Äquivalentkapazität) hat seinen ersten Resonanzpunkt bei 13,5 MHz und verursacht die folgenden typischen Probleme:

• Rückgangsverlustabbau: S11 -Parameterabbau von 6 - 8dB bei der Resonanzfrequenz

• Common -Modus -Geräuschkopplung: CMRR fällt bei 100 MHz um 20 dB ab

• Die EMI -Strahlung überschreitet die Grenze: Der Strahlungspeak überschreitet die FCC -Klasse -B -Grenze um 12 dBμv/m im Frequenzband von 600 MHz

Die gemessene S - Parameterkurve eines bestimmten Modells von 10G Ethernet -Kern (VITEC VG2502B) zeigt, dass der Einfügungsverlust bei der Frequenz von 2,4 GHz plötzlich um 2,7 dB zunimmt. Die Simulationsüberprüfung zeigt, dass die Anomalie durch die durch ihre Zwischenschichtkapazität verursachte Impedanz -Fehlanpassung verursacht wird.

3. Optimierung fortgeschrittener Wickelprozessoptimierung

Moderne Netzwerktransformatoren verwenden ein 4 -- -Level -Optimierungsschema, um die äquivalente Kapazität zu verringern:

3.1 Innovation der Spulenstruktur

• Sandwich -Wickelmethode: Teilen Sie die Primärwicklung in drei Teile p1 - p2 - p1 und reduzieren CPS um 43%

• Rückwärtsschicht: Die hohe - Spannungsseitenspule wird in einer z - geformten Falte gewickelt, und die Einzelkapazität der einzelnen Schicht wird um 62% verringert

• Differentialwicklung: Der Abstand der beiden Drähte wird bei 0,2 mm gesteuert und der Litz -Draht wird bis zu 1000 Stränge verwendet

3.2 Verbesserung dielektrischer Material

3.3 Kerntopologie -Rekonstruktion

• Unter Verwendung des Magnetkreisendesigns vom EQR -Typ wird die Leckageinduktivität auf 35% der herkömmlichen Struktur reduziert

• Nanokristalline Ribbon (HITPERM) reduziert das Kernvolumen um 50%

• 3D -gedruckter Magnetkern erreicht 0,05 mm Luftspaltgenauigkeitskontrolle

4. Tester- und Überprüfungssystem

Erstellen Sie eine äquivalente Kapazitäts -Vollparameter -Erkennungsplattform:

+ ----------------- - - Vektor -Netzwerkanalysator - - (EP5020A 10MHz - 4GHz) - +--------+---------+- S - Parametermessung + -------- v -------- + - 3D Electric Field Scanner - - (Emscan 3000) - +--------+---------+- Feldstärkezuordnung + -------- v --------- + - Wärmesimulations -Workstation - - (Ansys Q3D) - +-----------------++

Die Testdaten eines industriellen POE ++ -Transformators zeigten, dass die Zwischenschichtkapazität nach der Annahme des Flying Draht -Wicklungsprozesses von 2,1 PF auf 0,7PF reduziert wurde und das Signal -Komplett -Augendiagramm im 250 -MHz -Frequenzband um 38%erhöht wurde. Das Temperaturanstiegsexperiment zeigte, dass das optimierte Design die Hotspot -Temperatur von 98 ° C auf 72 ° C reduzierte und der MTBF auf 150.000 Stunden erhöht wurde.

5. zukünftige Technologietrends

Der neueste IEEE P802.3CG -Standard erfordert, dass bei 10 Mbit / s -Ethernet die Transformator -Äquivalentkapazität in einem Abstand von 1000 m weniger als 1PF betragen muss. Zu diesem Zweck erkundet die Branche:

• Mikrowellen -photonische Kristallstrukturen: Verwenden von EBG -EBG

• Metamaterialwicklung: Verwenden negativer dielektrischer konstanter Metamaterial zur Rekonstruktion der elektrischen Feldverteilung

• ON - MAPH -Magnetintegration: TSV Silicon Interposer ermöglicht drei - Dimensional -Spulen -Stapeln

• Quanten -Tunneling -Isolierung: Atomar

Die Praxis hat gezeigt, dass durch genaue Kontrolle der äquivalenten Kapazitätsparameter die neue Generation von Netzwerktransformatoren eine Bitfehlerrate von weniger als 10^- 15 während 100 -Gbit / s -Übertragung und einen Anstieg der Energieeffizienz um 200% erreichen kann, wodurch der Eintritt der Auslegung magnetischer Komponenten in die Ära der Nanovolt -Vorbereitungskontrolle kennzeichnet.