Analyse de la capacité équivalente des transformateurs de réseau

Analyse de la capacité équivalente des transformateurs de réseau: mécanisme, techniques d'impact et d'optimisation

1. Caractéristiques essentielles de la capacité équivalente

La capacité équivalente dans un transformateur de réseau se réfère spécifiquement à son réseau de capacité parasite, qui est un système de capacité distribué formé par un couplage de champ magnétique entre les conducteurs de bobinage. Ces capacités se composent de trois dimensions principales:

• Inter - Capacité d'enroulement (CPS): Les enroulements primaires et secondaires forment une structure de condensateur plat à travers la couche squelette / bouclier, avec une valeur typique d'environ 0,5 - 5pf

• Capacité intercouche (argile): la capacité distribuée entre les conducteurs adjacents lorsque plusieurs fils sont enroulés en parallèle, et une seule couche peut atteindre 0,1 pf / cm²

• Capacité de couplage central (CCORE): le chemin de courant de déplacement entre la bobine et le noyau de matériau de perméabilité élevé, représentant environ 15% de la capacité totale

L'analyseur d'impédance a été utilisé pour mesurer la réactance capacitive équivalente d'un transformateur Ethernet Gigabit à 1 MHz, et ce paramètre dominera les caractéristiques d'impédance de la ligne de transmission lorsque la fréquence de fonctionnement dépasse 30 MHz. Ce phénomène est particulièrement évident dans le système d'alimentation PoE (802.3bt), où l'effet DV / DT formé par la tension d'alimentation 80V et la bande passante de signal à 2,5 GHz exciteront le bruit de couplage capacitif.

2. Effet de dégradation de la réponse en fréquence

Le réseau de résonance LC formé par la capacité équivalente et l'inductance d'enroulement déforment sérieusement les caractéristiques de transmission du signal:

f_ {res} = \ frac {1} {2π \ sqrt {l_ {leak} c_ {équ}}}

 Le transformateur d'interface RJ45 standard (inductance de fuite 350UH, capacité équivalente de 3,5 pf) a son premier point de résonance à 13,5 MHz, provoquant les problèmes typiques suivants:

• Dégradation des pertes de retour: Dégradation des paramètres S11 de 6 - 8 dB à la fréquence de résonance

• Coulage de bruit en mode commun: CMRR baisse de 20 dB à 100 MHz

• Le rayonnement EMI dépasse la limite: le pic de rayonnement dépasse la limite FCC de classe B de 12 dB μV / m dans la bande de fréquence de 600 MHz

La courbe des paramètres mesurée d'un certain modèle de noyau Ethernet 10g (VITEC VG2502B) montre que la perte d'insertion augmente soudainement de 2,7 dB à la fréquence de 2,4 GHz. La vérification de la simulation montre que l'anomalie est causée par l'inadéquation d'impédance causée par sa capacité intercouche.

3. Optimisation avancée du processus d'enroulement

Les transformateurs de réseau modernes utilisent un schéma d'optimisation de quatre - pour réduire la capacité équivalente:

3.1 Innovation de la structure des bobines

• Méthode d'enroulement sandwich: Divisez l'enroulement primaire en trois parties P1 - P2 - P1, réduisant les CP de 43%

• Couge inverse: la bobine côté tension élevée est enroulée dans un pli de forme z et et la capacité de calque unique est réduite de 62%

• Enroulement différentiel: l'espacement des deux fils est contrôlé à 0,2 mm et le fil Litz est utilisé jusqu'à 1000 brins

3.2 Amélioration des matériaux diélectriques

3.3 Reconstruction de topologie de base

• En utilisant la conception du circuit magnétique de type EQR, l'inductance de fuite est réduite à 35% de la structure conventionnelle

• Le ruban nanocristallin (HitperM) réduit le volume de base de 50%

• Le noyau magnétique imprimé 3D atteint un contrôle de précision de l'espace d'air de 0,05 mm

4. Système de test et de vérification

Établir une plate-forme de détection de paramètres complète de capacité équivalente:

+ -----------------assef pas - Analyseur de réseau vectoriel - - (EP5020A 10MHz - 4 GHz) - + -------- + --------- + - S - Mesure des paramètres + -------- V -------- + - Scanner de champ électrique 3D - - (EMScan 3000) - + -------- + --------- + - Mappage de résistance au champ + -------- v --------- + - Passe de travail de simulation thermique - - (ANSYS Q3D) - + --------------------- +

Les données de test d'un transformateur PoE ++ industriel - Grade ont montré qu'après l'adoption du processus d'enroulement du fil volant, la capacité intercouche a été réduite de 2,1 pf à 0,7 pf, et l'ouverture du diagramme oculaire complet du signal dans la bande de fréquence de 250 MHz a augmenté de 38%. L'expérience d'élévation de la température a montré que la conception optimisée réduisait la température de la tache chaude de 98 ℃ à 72 ℃, et le MTBF a été augmenté à 150 000 heures.

5. Tendances technologiques futures

La dernière norme IEEE P802.3cg nécessite que lorsque 10 Mbps Ethernet fonctionne à une distance de 1000 m, la capacité équivalente du transformateur doit être inférieure à 1pf. À cette fin, l'industrie explore:

• Structures cristallines photoniques micro-ondes: Utilisation de matériaux Bandgap électromagnétiques EBG pour supprimer les champs de franges

• Enroulement métamatériau: utilisant des métamatériaux diélectriques négatifs pour reconstruire la distribution du champ électrique

• Sur - Intégration magnétique de la puce: l'interposeur de silicium TSV permet un empilement de bobines dimensionnelles

• Isolement du tunneling quantique: Contrôle de la capacité atomique - Niveau dans les hétérostructures de nitrure de bore hexagonal / hexagonal

La pratique a montré qu'en contrôlant avec précision les paramètres de capacité équivalents, la nouvelle génération de transformateurs de réseau peut atteindre un taux d'erreur bit inférieur à 10 ^ - 15 lors de la transmission de 100 Gbit