In - Tiefenanalyse: Warum Netzwerktransformatoren als "Aasfresser" für die Signalübertragung fungieren können

Im Informationszeitalter ändert sich die Netzwerkkommunikationstechnologie mit jedem Tag, und eine hohe Geschwindigkeit und die stabile Datenübertragung sind zu einem Schlüsselfaktor für die Entwicklung von Unternehmen geworden. Als unverzichtbare Komponente in Kommunikationsgeräten spielen Netzwerktransformatoren eine wichtige Rolle. Heute gibt Ihnen Voohu eine umfassende Einführung in die grundlegenden Konzepte von Netzwerktransformatoren, der Auswahl und deren Design und Anwendung, damit jeder ein umfassenderes Verständnis für Netzwerktransformatorprodukte verbringen kann. Willkommen, um Mängel zu besprechen!

1. Überblick über Netzwerktransformatoren
Netzwerktransformatoren sind elektronische Komponenten, die speziell im Bereich der Netzwerkkommunikation verwendet werden. Sie sind auch Schlüsselkomponenten zum Anschließen von Ethernet mit terminalen Schnittstellen. Sie sind für mehrere Missionen wie Signalübertragung, Impedanzanpassung, Rauschunterdrückung und hohe - Spannungsisolierung verantwortlich. Sie spielen eine unverzichtbare Rolle im Bereich der Kommunikation, um die Stabilität und Sicherheit von Daten während der Übertragung zu gewährleisten. Die Kernkomponenten von Netzwerktransformatoren umfassen Magnetkerne, Spulen und Skelette. Sein Arbeitsprinzip basiert auf der elektromagnetischen Induktion. Das von der Primärspule empfangene Signal erzeugt ein sich ändernder Magnetfeld im Magnetkern und induziert dann eine Spannung in der Sekundärspule, um die Signalübertragung zu vervollständigen.

Theoretisch kann Ethernet theoretisch direkt mit der Terminalgrenzfläche verbunden werden, aber die Interferenz von externen Schaltungen und die Einschränkung der Übertragungsabstand machen diese Lösung zu einem Engpass in praktischen Anwendungen. Die Intervention von Netzwerktransformatoren mit seiner einzigartigen Wickelstruktur - Die Kombination der Differentialmodus -Induktoren und gemeinsamen Modus -Induktoren unterdrückt effektiv die Interferenz des gemeinsamen Modus- und Differentialmodussignals, realisiert die Signalfilterung und -verbesserung und verbessert somit den Signalübertragungsabstand signifikant. Darüber hinaus baut die Anwendung von Netzwerktransformatoren eine wirksame Isolationsbarriere zwischen Ethernet- und externen Schaltungen auf, was die Anti -- -Interferenzfähigkeit des Systems erheblich verbessert. Selbst bei unterschiedlichen Spannungsverbindungen kann der stabile Betrieb von Ethernet selbst sichergestellt werden. Gleichzeitig bietet der Netzwerktransformator auch ein gewisses Maß an Blitzschutz für die Geräte.

2. Netzwerktransformatorkomponenten und Arbeitsprinzip
Die drei grundlegenden Teile eines Netzwerktransformators sind: T (Transformator), K (Common -Modus -Choke) und A (Mitte Tapped AUTO - Transformator). Nach verschiedenen Kombinationen sind Netzwerktransformatoren unterteilt in: Single T - Piece Network Transformator, T + K - Stück Netzwerktransformator, T + Drei - Drahtschleife k - Stück Netzwerktransformator und T + K + A - Stück Netzwerktransformator.

1. einzelner t - Stück Netzwerktransformator
Wie in der Abbildung unten gezeigt. Es ist ein schematisches Diagramm eines einzelnen T -- -Stück -Netzwerktransformators und deren Fähigkeit, EMI daran zu hindern, an die Übertragung von PHY -Chips und Datensignalen zu übertragen.

Die EMI -Interferenzliniennummer (Orangensignal) auf Pin4 und Pin6 ist in der Größe gleich, entgegengesetzt in Richtung und hat genau die gleiche Wellenform. Die Ströme, die sie in den oberen und unteren Spulen des Sekundärs verursachen, sind gleich groß und entgegengesetzt in Richtung, wobei sie sich gegenseitig abbrechen. Der Fluss ändert sich, die durch die beiden Ströme im Magnetring verursacht werden. Die Flussänderung ist Null, was bedeutet, dass die durch die obere und untere Spulen der Sekundärspulen dargestellte induktive Reaktanz Null ist und durch zwei kurze Kreisleitungen ersetzt werden kann. EMI durchläuft zwei kurze Kreisleitungen. Der Middle Tipp und die R - C -Serie -Schaltkreis -Entladung EMI am Erdungsdraht, wodurch die Amplitude von EMI verringert wird.
Aus dem gleichen Grund wird EMI aus dem internen Schaltkreis durch den mittleren Wasserhahn und C2 der Primärspule in den Erdungskabel entlassen, wodurch die Amplitude von EMI innerhalb des Geräts durch den Draht in die Luft abgegeben wird.
Das blaue Signal ist das Datenspannungssignal. Die in den oberen und unteren Spulen des Sekundärs verursachten Ströme sind in Größe und Richtung gleich, und die Flussänderungen, die innerhalb der Sekundärspule des T -Tie -Stücks verursacht werden, sind gegenseitig überlagert und zeigen eine hohe induktive Reaktanz.
Es ist ersichtlich, dass der Netzwerktransformator mit einem mittleren Tap die Funktion hat, die gegenseitige Ausbreitung von EMI zwischen seinen primären und sekundären Spulen zu blockieren.

2. T - Stück + K - Stück Netzwerktransformator
Das schematische Diagramm des T - Piece + k - Stück -Netzwerktransformators und das schematische Diagramm der Signalübertragung sind in der folgenden Abbildung dargestellt.


Abbildung 1 zeigt das schematische Diagramm eines Netzwerktransformators aus T und K (Choke). K wird dem Netzwerktransformator hinzugefügt, da es keinen Abschwächungseffekt auf das nützliche Datenspannungssignal (Differential) hat, aber EMI abschwächen kann. Das Hinzufügen von K kann EMI weiterhin die Propagierung zwischen den Primär- und Sekundärspulen blockieren.

Wie auf der rechten Seite der obigen Abbildung gezeigt, ist das Orangensignal EMI und das blaue Signal ist das Spannungsdifferentialsignal; Die orange und blauen Pfeile repräsentieren die aktuelle Richtung von EMI- und Datenspannungssignalen in den Primärspulen von K bzw. T. Die Analyse zeigt, dass, wenn das Datenspannungssignal von Pin4 und Pin6 über die oberen und unteren Spulen von K fließt, die Ströme in Größe und entgegengesetzt sind. Der magnetische Fluss ändert sich, die durch sie im Magnetring von K verursacht werden, die sich gegenseitig abbrechen. Die magnetische Flussänderung ist Null, was bedeutet, dass die durch die obere und untere Spulen von K dargestellte induktive Reaktanz Null ist. Mit anderen Worten, ohne den Einfluss des internen Widerstands von K zu berücksichtigen, hat K keine Dämpfungsfähigkeit für das Datenspannungssignal.

Wie durch die orangefarbenen Pfeile in der obigen Abbildung gezeigt, sind die erzeugten Ströme, wenn EMI durch die oberen und unteren Spulen der K - -Komponente fließt, in Größe und Richtung gleich. Die Änderungen des magnetischen Flusses, die durch sie im Magnetring der K - -Komponente verursacht werden, werden gegenseitig überlagert. Die von der K - -Komponente dargestellte induktive Reaktanz -ZL erhöht sich linear mit zunehmender Frequenz entsprechend der folgenden Formel. L ist die Induktivität der K - -Komponente.
Zl = 2πfl

Die K - -Komponente ist in der EMI -Schleife in Reihe verbunden. Bevor das EMI die sekundäre Spule der T - -Komponente erreicht, fällt ein beträchtlicher Teil davon an beide Enden der K - -Komponente, sodass der Choke die Rolle des Blockierens von EMI spielt. Die K - -Komponente hat einen besseren Blockiereffekt auf die hohen - Frequenzkomponenten von EMI, da umso größer die EMI an beiden Enden der K - -Komponente fiel. Aus dem gleichen Grund kann die K - -Komponente auch die in der Geräte erzeugten EMI an den Draht blockieren. Der T - Komponenten + K - Komponenten -Netzwerktransformator hat eine weitere verbesserte EMI -Dämpfungsfähigkeit im Vergleich zum T - Komponenten -Netzwerktransformator.

3. T+K+Ein Netzwerktransformator Abbildung 1 unten ist ein schematisches Diagramm eines T+K+A -Netzwerktransformators aus T, K und A (Autotransformator). Die Induktivität des neu hinzugefügten A in der Abbildung ist relativ groß, normalerweise 1,5 ~ 2,0 mH. Der Grund, warum A zum Netzwerktransformator hinzugefügt wird, ist, dass das hinzugefügte A mit einer großen Induktivität das nützliche Datenspannungssignal nicht wesentlich abschwächt, sondern die Ausbreitung von EMI zwischen der primären und sekundären Seiten des Transformators weiter blockieren kann.

Das schematische Diagramm des Datenspannungssignals für Netzwerktransferatoren und EMI ist in Abbildung 2 dargestellt. In der Abbildung ist das blaue Signal das Datenspannungssignal, das Orangensignal ist das EMI; Der orangefarbene Pfeil und der blaue Pfeil sind die Richtungen des Stroms des Datenspannungssignals und des EMI -Signals im Netzwerktransformator.

Wie aus der Abbildung hervorgeht, wenn EMI durch die oberen und unteren Spulen des Autotransformators durchläuft, sind ihre Anweisungen entgegengesetzt und die Änderungen des magnetischen Flusses, die durch sie im Magnetring eines Teils A verursacht werden, stornieren sich gegenseitig. Der Entladungseffekt von Teil A ähnelt der der Sekundärspule von Teil T. Wenn das Datenspannungssignal durch die obere und untere Spulen des Autotransformators fließt, ist seine Richtung gleich und die Änderungen des magnetischen Flusses, die durch Themen innerhalb des Magnetringes von Teil A verursacht werden, sind überlagert, sodass die durch Teil A dargestellte Induktivität, die von Teil A dargestellt wird, sehr groß ist.
EMI ist dreifach von Teil A (Autotransformator), Teil K (Choke) und Teil T Sekundärspule verarbeitet, die die Amplitude von EMI stark reduzieren, und die Dämpfungsfähigkeit des Netzwerktransformators zu EMI wird erheblich verbessert.

3. Klassifizierung von Netzwerktransformatoren
Netzwerktransformatoren werden hauptsächlich basierend auf den folgenden Kernparametern klassifiziert: Strukturtyp, Verpackungstyp, Übertragungsrate, Anzahl der Ports, Anwendungsumgebung und POE -Stromversorgungskapazität

1. Klassifizierung basierend auf Strukturart:
RJ45 -Anschlüsse separater Netzwerktransformatoren und integrierter Netzwerktransformatormodule

2. Klassifizierung nach Paketart:
SMD -Oberflächenhalterung
Dip Plug - in der Perforation

3.. Klassifizierung nach Übertragungsrate:
10/100 Basis - tx
Gigabit -Basis - tx
2,5 g Basis - t
5G Basis - t
10g Basis - t

4. Klassifizierung nach Anzahl der Ports:
Single Port
Doppelte Ports
Quad -Ports

5. Klassifizierung basierend auf der Betriebstemperatur der Anwendungsumgebung des Kunden:
Unterhaltungselektronik (Verbraucherbetriebstemperatur: 0 ~ 70 ° C)
Industrieausrüstung (Branchenbetrieb Temp.: - 40 ~+85 ° C)
Automobile (Automobilbetrieb Temp.: - 40 ~+125 ° C)
Militär und Luft- und Raumfahrt (Mili - Aero Operation Temp.: - 55 ~+155 ° C)

6. Klassifizierung basierend auf der Poe -Stromversorgungskapazität:
Non - Poe
(Trifft IEEE802.3AB Standard)
Poe
(15W Stromversorgungskapazität,
Erfüllt IEEE802.3AF Standard)
Poe+
(30W und über Stromversorgungskapazität,
Erfüllt IEEE802.3AT Standard)
4ppoe
(90 -W -Stromversorgungskapazität,
Erfüllt IEEE802.3BT Standard)

4. Design und Auswahl von Netzwerktransformatoren
Phy -Chips sind in Spannung unterteilt - Typ Phy und Strom - Typ pHY gemäß dem Schnittstellentreibertyp. Im tatsächlichen Netzwerkprozess kann das lokale Gerät die Art und die Ebenenanforderungen des anderen Geräts nicht vorhersagen. Aufgrund der Existenz des Transformators muss jedoch nur die Verknüpfung verschiedener Arten von PHY -Chips auf die Strategien einer AC -Kopplung auf der verschiedenen Ebene verweisen, dh einfach ihre eigene lokale Übereinstimmung achten. Wenn beide Seiten Spannung - Typ Phy sind, gibt es kein Problem bei der Verbindung durch den Transformator, da die Schnittstelle der Spannung - Typ standardmäßig ist und der mittlere Abschnitt des Transformators direkt über einen Kondensator geerdet werden kann. Wenn beide Seiten Strom sind - Typ Phy, da der Schnittstellentreiber des Stroms - pHY eine Stromeinspritzung erfordert, muss der Mittelkleber des Transformators an die Stromversorgung angeschlossen werden, und die Pull -- -Up -Spannung hängt von der gemeinsamen - modusspannung ab, die vom Phy -Chip selbst benötigt wird. Wenn die pHy -Typ -Typ und der pHy -Typ des Stroms angeschlossen sind, kann die Ziehleistung der Wasserhähne auf beiden Seiten auf den Anforderungen ihrer jeweiligen Phy -Chips basieren, selbst wenn sie unterschiedlich sind, spielt dies keine Rolle, da der Transformator die DC -Spannung nicht übertragen kann.

Common - Modus -Induktoren sind in zwei Arten unterteilt: zwei - Drahtmodus - Modus und drei - Drahtmodus. Sie können auf der Phy -Seite, der Kabelseite oder beiden Seiten platziert werden. Mehrere Platzierungsmethoden sind in Abbildung 1 dargestellt.

Durch das Platzieren des Common - -Modus -Induktors auf der Kabelseite kann die durch Transformator -Ungleichgewicht verursachte Interferenz besser filtern, was im Vergleich dazu ein Vorteil ist, sie auf die Phy -Seite zu platzieren. Im POE -Stromversorgungsszenario muss der Common - -Modus -Induktor auf der Phy -Seite jedoch den POE -Strom nicht tragen und ist nicht einfach zu sättigen, sodass seine Größe kleiner werden kann, was für das Layout vorteilhafter ist und seine EMK -Leistung auch besser ist. Da für den Strom - Typ pHy eine externe Stromversorgung benötigt, um Strom zu liefern, wenn der Ausgang mit einem Zwei -- -Draht -Common - -Modus -Modus verwendet wird, fließt der Strom durch den Haupttransformator und die obere Hälfte des gemeinsamen - Modus -Induktors, um eine Schleife zu bilden, und umgekehrt, wenn der Ausgang hoch ist. Wenn der Ausgang 0 ist, führt der Strom durch die beiden Spulen des Common - -Modus -Induktors, um eine Schleife zu bilden. Wenn der Strom nur durch eine Spule fließt, kann das erzeugte Magnetfeld nicht ausgeglichen werden, und der gemeinsame - Modus -Induktor zeigt eine hohe Impedanz, was die Signalqualität des normalen Signals beeinflusst. Bei Verwendung eines gemeinsamen Modus von Drei - Draht, unabhängig davon, welcher Strom ausgegeben wird, fließt der Strom in die beiden Spulen in entgegengesetzte Richtungen, und die Magnetfelder stornieren sich gegenseitig, was sich nicht auf das Signal auswirkt.

Wenn die Anforderungen an relevante EMC -Indikatoren hoch sind, wird die in Abbildung 1 (c) gezeigte Struktur angewendet, und die gemeinsamen - Modus -Induktoren werden sowohl auf der PHY -Seite als auch auf der Kabelseite angeordnet. Um sich an den Strom anzupassen - Typ PHY, kann der gemeinsame - Modus -Induktor auf der Phy -Seite in einen drei - Drahtmodus geändert werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass in Szenarien, in denen die POE -Stromversorgung nicht erforderlich ist, die Kompatibilität und die Vorteile der beiden - Drahtmodus -Modus -Induktor- und der Kabelleiten -Platzierungslösung höher sind, aber im PoE -Szenario kann der drei - Drahtmodus und die PHY -Seitenplatzierungslösung Priorität gegeben werden.

Basierend auf der obigen Analyse wird die folgende Tabelle bei der Auswahl eines Ethernet -Transformators als Referenz zusammengestellt:


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5. Netzwerktransformator Design und Anwendung
1. Separate Netzwerktransformatoranwendung:
Abbildung 1 unten ist eine typische Anwendung von Ethernet. Unser PCB -Design ist im Grunde genommen angelegt und gemäß diesem Blockdiagramm verdrahtet. Im Folgenden werden wir dieses Blockdiagramm verwenden, um die Layout- und Verkabelungspunkte im Zusammenhang mit Ethernet zu erklären.

PCB -Layout und Schaltplan. Im Folgenden werden Abbildung 2 verwendet, um die wichtigsten Punkte einzuführen, auf die im Layout und die Verkabelung des Ethernet -Schaltkreises geachtet werden müssen.

2. Transformator - getrennter RJ45 -Design

3.. PCB -Layoutanforderungen
1) Wenn die Transformator und die RJ45 -Schnittstelle, wie in der Abbildung gezeigt, getrennt sind, sollte der Abstand zwischen der RJ45 -Schnittstelle und dem Transformator so weit wie möglich verkürzt werden (während die Prozessanforderungen erfüllt).



2) Der Abstand zwischen dem Ethernet -Konvertierungschip -Phy und dem Transformator sollte ebenfalls so kurz wie möglich sein und im Allgemeinen nicht über 5 Zoll überschreiten. Wenn die RJ45 -Schnittstelle mit einem Transformator ausgestattet ist, sollte der Ethernet -Conversion -Chip so nahe wie möglich an der RJ45 -Schnittstelle platziert werden, wie in der folgenden Abbildung gezeigt.



3) Wie in der folgenden Abbildung gezeigt, basiert die Platzierung des AC -Terminierungswiderstands im Allgemeinen auf den Empfehlungen des Chiphandbuchs. Einige Chips erfordern die Platzierung am Ethernet -Konverter -Ende. Wenn es keine besonderen Anforderungen gibt, stellen Sie es in der Nähe des Ethernet -Conversion -Chips.


4) Das Reset -Schaltungssignal sollte so nahe am Ethernet -Umwandlungschip liegen und nach Möglichkeit nicht vom Tx+/-, Rx+/- entfernt sein Differentialsignale und Taktsignale;
5) Die Taktschaltung sollte so nahe am Ethernet -Umwandlungschip liegen, weg vom Rand der Leiterplatte und anderen hohen - Frequenzsignalen, IO -Anschluss -Routing und anderen magnetischen Komponenten.
Gemäß den obigen Layoutanforderungen kann das Gesamtlayout -Diagramm wie in der folgenden Abbildung gezeigt zusammengefasst werden

4.. PCB -Verkabelungsanforderungen
1) TX+, TX - und rx+, rx - sollte so weit wie möglich auf die Oberfläche platziert werden. Der Abstand zwischen den beiden Differentialpaaren sollte mindestens 4W betragen, und die gleiche Längenbeschränkung innerhalb des Paares beträgt 5 MIL. Die beiden Differentialpaare müssen nicht gleich lang sind, wie in Abbildung 1 gezeigt

2) Wenn man bedenkt, dass der Transformator eine Interferenzquelle ist, müssen alle Schichten unter dem Transformator ausgehöhlt werden. Es ist nur notwendig, den Seidenbildschirm des Transformators herauszuholen, ohne die Pads herauszugraben, wie in Abbildung 2 gezeigt.

3) Der Übertragungsteil vom Phy -Chip zu CPU (gtx_clk \ tx_en \ tx_er \ txd [7: 0]) und der empfangende Teil (grx_clk \ rx_dv \ rx_er \ rxd [7: 0]) separat routetiert werden. Mischen Sie die Empfangs- und Übertragungsnetzwerke nicht. Der Abstand zwischen den Linien sollte 3W erfüllen. RX und TX sollten innerhalb von 100 Mio. gleich lang sein, und die Impedanz sollte auf 50 Ohm kontrolliert werden.
4) Das Routing von Stromsignalen, einschließlich der Routing von Entkopplungskondensatoren, Stromleitungen und Grundlinien, sollte kurz und breit gehalten werden. Der Durchmesser der VIAS auf den Entkopplungskondensatoren sollte etwas größer sein. Jeder Kondensator sollte über einen Unabhängigen über den Boden verfügen, und der Boden über sollte nicht geteilt werden.
5) Die AC -Beendigung muss im Allgemeinen mit dem Chip oder Transformator nach dem Durchlaufen eines Widerstands verbunden sein. Es sind keine Stublinien erlaubt;
6) Für die Differentialpaare von Gigabit -Ethernet sollte die optimale Signalschicht für das Routing ausgewählt werden. Die Anzahl der VIAS sollte zwei nicht überschreiten, und wenn Löcher zum Wechseln der Ebenen geändert werden, sollte die VIAS in den 200 Mio. zurückgegeben werden, wie in Abbildung 3 gezeigt.

7) Prinzipien der Kraft und der Bodenverarbeitung: Der RJ45 -Chassis -Boden und der digitale Boden werden durch einen Ohm -Widerstand von 1 m und einen Kondensator von 0,1UF -Entkopplungen isoliert. Der Abstand zwischen dem Chassis -Boden und dem digitalen Boden muss breiter als 60 Mio. sein, wie in Abbildung 4 und Abbildung 5 dargestellt.

Alle digitalen und analogen Stromebenen mit unterschiedlichen Versorgungsspannungen sollten isoliert werden, wie in Abbildung 6 und Abbildung 7 dargestellt.