Dans - Analyse de profondeur: pourquoi les transformateurs de réseau peuvent agir comme des "charognards" pour la transmission du signal

À l'ère de l'information, les technologies de communication réseau changent chaque jour qui passe, et la transmission élevée de la vitesse et des données stables est devenue un facteur clé dans le développement des entreprises. En tant que composant indispensable dans l'équipement de communication, les transformateurs de réseau jouent un rôle vital. Aujourd'hui, VOOHU vous donnera une introduction complète aux concepts de base des transformateurs de réseau, comment les sélectionner et leur conception et leur application, afin que tout le monde puisse avoir une compréhension plus complète des produits de transformateur de réseau. Bienvenue pour discuter de toute lacune!

1. Aperçu des transformateurs de réseau
Les transformateurs de réseau sont des composants électroniques spécialement utilisés dans le domaine des communications réseau. Ce sont également des composants clés pour connecter Ethernet aux interfaces terminales. Ils sont responsables de plusieurs missions telles que la transmission du signal, la correspondance d'impédance, la suppression du bruit et l'isolement élevé de tension. Ils jouent un rôle indispensable dans le domaine des communications pour assurer la stabilité et la sécurité des données pendant la transmission. Les composants centraux des transformateurs de réseau comprennent les noyaux magnétiques, les bobines et les squelettes. Son principe de travail est basé sur l'induction électromagnétique. Le signal reçu par la bobine primaire génère un champ magnétique changeant dans le noyau magnétique, puis induit une tension dans la bobine secondaire pour compléter la transmission du signal.

Bien sûr, en théorie, Ethernet peut être directement connecté à l'interface terminale, mais l'interférence des circuits externes et la limitation de la distance de transmission font de cette solution un goulot d'étranglement dans les applications pratiques. L'intervention des transformateurs de réseau, avec sa structure d'enroulement unique - La combinaison d'inductances en mode différentiel et d'inductances en mode commune, supprime efficacement l'interférence des signaux de mode commun et de mode différentiel, réalise le filtrage et l'amélioration du signal, et améliore ainsi considérablement la distance de transmission du signal. De plus, l'application de transformateurs de réseau construit également une barrière d'isolement efficace entre Ethernet et les circuits externes, améliorant considérablement la capacité anti-interférence du système. Même face à différentes connexions de tension, le fonctionnement stable de Ethernet lui-même peut être assuré. Dans le même temps, le transformateur de réseau offre également un certain degré de protection contre la foudre pour l'équipement.

2. Composants du transformateur de réseau et principe de travail
Les trois parties de base d'un transformateur de réseau sont: T (transformateur), K (Common Mode Choke) et A (Centre Tapaid Auto - Transformateur). Selon différentes combinaisons, les transformateurs de réseau sont divisés en: Transformateur de réseau T - pièce unique, transformateur de réseau T + K - Pièces, T + trois - Transformateur de boucle de fil K - Pime Network et T + K + A - Transformateur de réseau de pièces.

1. Transformateur de réseau unique T - Piece
Comme indiqué dans la figure ci-dessous. Il s'agit d'un diagramme schématique d'un seul transformateur de réseau T - pièce et de sa capacité à empêcher l'EMI d'être transmis à la puce PHY et à la transmission du signal de données.

Le nombre de lignes d'interférence EMI (signal orange) sur PIN4 et PIN6 est égal en amplitude, opposé dans la direction, et a exactement la même forme d'onde. Les courants qu'ils provoquent dans les bobines supérieures et inférieures du secondaire sont égales en amplitude et opposées dans la direction, s'annulant mutuellement. Les changements de flux causés par les deux courants de l'anneau magnétique s'annulent mutuellement. Le changement de flux est nul, ce qui signifie que la réactance inductive présentée par les bobines supérieures et inférieures du secondaire est nulle, et elles peuvent être remplacées par deux courtes lignes de circuits. EMI passe par deux courtes lignes de circuits. Le Tap du milieu et le circuit de la série R - C EMI EMI au fil de terre, réduisant ainsi l'amplitude de l'EMI.
Pour la même raison, l'EMI du circuit interne sera rejeté vers le fil de terre à travers le robinet moyen et C2 de la bobine primaire, ce qui peut réduire l'amplitude de l'EMI à l'intérieur de l'appareil émis dans l'air à travers le fil.
Le signal bleu est le signal de tension de données. Les courants provoqués dans les bobines supérieures et inférieurs du secondaire sont égales en amplitude et en direction, et les changements de flux provoqués à l'intérieur de la bobine secondaire de la pièce T - sont superposés les uns sur les autres, montrant une réactance inductive élevée.
On peut voir que le transformateur de réseau avec un robinet moyen a la fonction de bloquer la propagation mutuelle de l'EMI entre ses bobines primaires et secondaires.

2. T - Piece + K - Transformateur de réseau de pièces
Le diagramme schématique du transformateur de réseau T - Piece + K - et le diagramme schématique de la transmission du signal est illustré dans la figure ci-dessous.


La figure 1 montre le diagramme schématique d'un transformateur de réseau composé de T et K (starter). K est ajouté au transformateur de réseau car il n'a aucun effet d'atténuation sur le signal de tension de données utile (différentiel), mais peut atténuer l'EMI. L'ajout de K peut empêcher l'EMI de se propager entre les bobines primaires et secondaires.

Comme indiqué sur le côté droit de la figure ci-dessus, le signal orange est EMI et le signal bleu est le signal différentiel de tension; Les flèches orange et bleues représentent la direction actuelle des signaux de tension EMI et de données dans les bobines primaires de K et T, respectivement. L'analyse montre que lorsque le signal de tension de données circule de Pin4 et Pin6 à travers les bobines supérieures et inférieures de K, les courants sont égaux en amplitude et en direction opposée. Les changements de flux magnétique causés par eux à l'intérieur de l'anneau magnétique de K s'annulent. Le changement de flux magnétique est nul, ce qui signifie que la réactance inductive présentée par les bobines supérieures et inférieures de K est nulle. En d'autres termes, sans considérer l'influence de la résistance interne de K, K n'a pas de capacité d'atténuation pour le signal de tension de données.

Comme le montrent les flèches orange dans la figure ci-dessus, lorsque EMI coule à travers les bobines supérieures et inférieures du composant K -, les courants générés sont égaux en amplitude et en direction. Les changements de flux magnétique causés par eux à l'intérieur de l'anneau magnétique du composant K - sont superposés les uns sur les autres. La réactance inductive ZL présentée par le composant k - augmentera linéairement avec l'augmentation de la fréquence selon la formule suivante. L est l'inductance du composant k -.
Zl = 2πfl

Le composant K - est connecté en série dans la boucle EMI. Avant que l'EMI n'atteigne la bobine secondaire de la composante T -, une partie considérable tombera aux deux extrémités du composant K -, de sorte que le starter joue le rôle de bloquer EMI. Le composant K - a un meilleur effet de blocage sur les composantes de fréquence élevées de l'EMI, car plus la fréquence est élevée, plus l'EMI a chuté sur les deux extrémités du composant k -. De même, le composant K - peut également bloquer l'EMI généré à l'intérieur de l'équipement par transmission au fil. Le transformateur de réseau de composant T - Composant + K - a une plus grande capacité d'atténuation EMI améliorée par rapport au transformateur de réseau de composants T -

3. T + K + A Transformateur de réseau La figure 1 ci-dessous est un diagramme schématique d'un transformateur de réseau T + K + composé de T, K et A (autotransformateur). L'inductance du A nouvellement ajouté sur la figure est relativement grande, généralement 1,5 ~ 2,0mh. La raison pour laquelle A est ajouté au transformateur de réseau est que l'ajout A avec une grande inductance n'atténue pas significativement le signal de tension de données utile, mais peut bloquer davantage la propagation de l'EMI entre les côtés primaires et secondaires du transformateur.

Le diagramme schématique du transformateur de réseau de réseau transmettant le signal de tension de données et EMI est illustré à la figure 2. Dans la figure, le signal bleu est le signal de tension de données, le signal orange est l'EMI; La flèche orange et la flèche bleue sont les directions du courant du signal de tension de données et le signal EMI dans le transformateur de réseau respectivement.

Comme on peut le voir sur la figure, lorsque l'EMI passe à travers les bobines supérieures et inférieures de l'autotransformateur, leurs instructions sont opposées, et les changements de flux magnétique causés par eux à l'intérieur de l'anneau magnétique de la partie A s'annulent mutuellement, de sorte que la réactance inductive présentée par la partie A est proche de zéro, et EMI est déposée à la terre à travers le circuit de la série R - C, ce qui est en réduisant l'EMPLitude. L'effet de décharge de la partie A est similaire à celui de la bobine secondaire de la partie T. Lorsque le signal de tension de données passe à travers les bobines supérieures et inférieures de l'autotransformateur, sa direction est la même, et les changements de flux magnétique provoquées par eux à l'intérieur de l'anneau magnétique de la partie A sont superposés les uns sur les autres, de sorte que la réactance inductive présentée par la partie A est très grande.
EMI est triple - traité par la partie A (autotransformateur), la partie K (starter) et la bobine secondaire de la partie T, ce qui réduit considérablement l'amplitude de l'EMI, et la capacité d'atténuation du transformateur de réseau vers l'EMI est considérablement améliorée.

3. Classification des transformateurs de réseau
Les transformateurs de réseau sont principalement classés en fonction des paramètres de base suivants: type de structure, type d'emballage, taux de transmission, nombre de ports, environnement d'application et capacité d'alimentation POE

1. Classification basée sur le type de structure:
Connecteurs RJ45 des transformateurs de réseau séparés et des modules de transformateurs de réseau intégrés

2. Classification par type de package:
Support de surface SMD
Plux de dip - en perforation

3. Classification par taux de transmission:
Base 10/100 - TX
Gigabit Base - TX
2,5 g de base - t
Base 5G - T
Base 10G - T

4. Classification par nombre de ports:
Port unique
Doubles ports
Ports quadruples

5. Classification basée sur la température de fonctionnement de l'environnement d'application du client:
Électronique grand public (Température de fonctionnement des consommateurs: 0 ~ 70 ° C)
Équipement industriel (opération de l'industrie Temp.: - 40 ~ + 85 ° C)
Automobile (Température de fonctionnement automobile: - 40 ~ + 125 ° C)
Militaire et aérospatial (Mili - Température d'opération aéro: - 55 ~ + 155 ° C)

6. Classification basée sur la capacité d'alimentation POE:
Non - poe
(Répond à la norme IEEE802.3AB)
Poe
(Capacité d'alimentation 15W,
Répond à la norme IEEE802.3af)
Poe +
(30W et plus de capacité d'alimentation,
Répond à la norme IEEE802.3at)
4ppoe
(Capacité d'alimentation 90W,
Répond à la norme IEEE802.3BT)

4. Conception et sélection de transformateurs de réseau
Les puces Phy sont divisées en tension - Type Phy et Current - Type Phy en fonction du type de pilote d'interface. Dans le processus de réseautage réel, le dispositif local ne peut pas prédire les exigences de type et de niveau de l'autre appareil, mais en raison de l'existence du transformateur, l'interconnexion de différents types de puces phy seulement doit se référer aux stratégies de couplage AC de différents niveaux, c'est-à-dire simplement prendre soin de son propre correspondance locale. Lorsque les deux côtés sont de tension - type Phy, puisque l'interface de tension - type Phy est standard, il n'y a aucun problème à l'interconnexion à travers le transformateur et le robinet central du transformateur peut être directement mis à la terre via un condensateur; Lorsque les deux côtés sont actuels - Type Phy, car le conducteur d'interface du courant - type Phy nécessite une injection de courant, le robinet central du transformateur doit être connecté à l'alimentation et la tension de pull - up dépend de la tension du mode commune requise par la puce Phy elle-même; Lorsque la tension - type Phy et le courant - type Phy sont connectés, l'alimentation Pull - Up des robinets des deux côtés peut être basée sur les exigences de leurs puces Phy respectives, même si elles sont différentes, cela n'a pas d'importance, car le transformateur ne peut pas transmettre la tension CC.

Common - Mode Les inductances sont divisées en deux types: deux - Mode commun - Mode et trois - Mode commun - Mode. Ils peuvent être placés du côté phy, du côté câble ou des deux côtés. Plusieurs méthodes de placement sont illustrées à la figure 1.

Placer l'inductance commune - en mode côté câble peut mieux filtrer l'interférence causée par le déséquilibre du transformateur, ce qui est un avantage par rapport à le placer du côté phy. Cependant, dans le scénario d'alimentation POE, l'inductance commune - en mode du côté Phy n'a pas besoin de supporter le courant PoE et n'est pas facile à saturer, de sorte que sa taille peut être plus petite, ce qui est plus bénéfique dans la mise en page, et ses performances EMC sont également meilleures. Étant donné que le Current - Type Phy nécessite une alimentation externe pour fournir le courant, lorsqu'il est utilisé avec un inductance de mode à deux - fil commun - Mode, lorsque la sortie est faible, le courant passe par le transformateur principal et la moitié supérieure de l'inducteur de mode commun - pour former une boucle, et vice versa lorsque la sortie est élevée. Lorsque la sortie est 0, le courant traverse les deux bobines de l'inducteur de mode commun - pour former une boucle. Lorsque le courant traverse une seule bobine, le champ magnétique généré ne peut pas être décalé et l'inductance commune - en mode présente une impédance élevée, ce qui affecte la qualité du signal du signal normal. Lorsque vous utilisez un mode commun à trois - fil, quelle que soit le courant de sortie, le courant circulera à travers les deux bobines dans des directions opposées, et les champs magnétiques s'annuleront mutuellement, ce qui n'a aucun effet sur le signal.

Si les exigences pour les indicateurs EMC pertinents sont élevées, la structure illustrée à la figure 1 (c) sera adoptée et les inductances de mode communes seront disposées du côté phy et du côté du câble. Afin de s'adapter au courant - type Phy, l'inductance commune - en mode du côté phy peut être changée en un mode commun à trois - fil. En résumé, dans les scénarios où l'alimentation POE n'est pas requise, la compatibilité et les avantages des deux - Wire Common - Mode inductoire et la solution de placement latéral du câble sont plus élevés, mais dans le scénario POE, la solution de mode commune à trois - câbles et de placement PHY peut être prioritaire.

Sur la base de l'analyse ci-dessus, le tableau suivant est compilé pour référence lors de la sélection d'un transformateur Ethernet:


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5. Conception et application du transformateur de réseau
1. Application de transformateur de réseau séparé:
La figure 1 ci-dessous est une application typique de Ethernet. Notre conception de PCB est essentiellement disposée et câblée en fonction de ce schéma de bloc. Ci-dessous, nous utiliserons ce diagramme de blocs pour expliquer les points de mise en page et de câblage liés à Ethernet.

Disposition et schéma de câblage PCB. Ce qui suit utilise la figure 2 pour introduire les points clés qui doivent être prêts attention dans la disposition et le câblage du circuit Ethernet.

2. Transformateur - Conception RJ45 séparée

3. Exigences de mise en page PCB
1) Lorsque l'interface transformateur et RJ45 est séparée, comme le montre la figure, la distance entre l'interface RJ45 et le transformateur doit être raccourcie autant que possible (tout en répondant aux exigences du processus)



2) La distance entre la puce de conversion Ethernet Phy et le transformateur doit également être aussi courte que possible, ne dépassant généralement pas 5 pouces. Si l'interface RJ45 est livrée avec un transformateur, la puce de conversion Ethernet doit être placée aussi près de l'interface RJ45 que possible, comme le montre la figure ci-dessous.



3) Comme le montre la figure ci-dessous, le placement de la résistance de terminaison AC est généralement basé sur les recommandations manuelles de la puce. Certaines puces nécessitent un placement à l'extrémité du convertisseur Ethernet. S'il n'y a pas d'exigences particulières, placez-la près de la puce de conversion Ethernet.


4) Le signal de circuit de réinitialisation doit être aussi proche de la puce de conversion Ethernet que possible et, si possible, doit être éloigné du TX + / -, RX + / - signaux différentiels et signaux d'horloge;
5) Le circuit d'horloge doit être aussi proche de la puce de conversion Ethernet que possible, loin du bord de la carte de circuit imprimé et d'autres signaux de fréquence élevés, le routage du port IO et d'autres composants magnétiques;
Selon les exigences de disposition ci-dessus, le diagramme de disposition global peut être résumé comme indiqué dans la figure suivante

4. Exigences de câblage PCB
1) TX +, TX - et rx +, rx - doit être placé autant que possible à la surface. L'espacement entre les deux paires différentielles doit être au moins 4W, et la contrainte de longueur égale à l'intérieur de la paire est de 5mil. Les deux paires différentielles n'ont pas besoin d'être égales en longueur, comme le montre la figure 1

2) Étant donné que le transformateur est une source d'interférence, toutes les couches en dessous du transformateur doivent être creusées. Il est seulement nécessaire de creuser l'écran de soie du transformateur sans creuser les coussinets, comme le montre la figure 2.

3) La partie de transmission de la puce Phy à CPU (GTX_CLK \ TX_EN \ TX_ER \ TXD [7: 0]) et la pièce de réception (GRX_CLK \ RX_DV \ RX_ER \ RXD [7: 0]) doit être acheminée séparément. Ne mélangez pas les réseaux de réception et de transmission. La distance entre les lignes doit se rencontrer 3W. Rx et Tx doivent être de longueur égale, à moins de 100 mil, et l'impédance doit être contrôlée à 50 ohms.
4) Le routage des signaux de puissance, y compris le routage des condensateurs de découplage, des lignes électriques et des lignes de sol doit être maintenue courte et large. Le diamètre des vias sur les condensateurs de découplage doit être légèrement plus grand. Chaque condensateur doit avoir un via indépendant du sol, et le sol via ne doit pas être partagé;
5) La terminaison AC doit généralement être connectée à la puce ou au transformateur après avoir traversé une résistance. Aucune ligne de talon n'est autorisée;
6) Pour les paires différentielles de Gigabit Ethernet, la couche de signal optimale doit être sélectionnée pour le routage. Le nombre de vias ne doit pas dépasser deux, et lors de la pointe de trous pour changer de couches, des vias de retour sur sol doivent être ajoutés à moins de 200 mil, comme le montre la figure 3.

7) Principes de puissance et de traitement du sol: le sol du châssis RJ45 et le terrain numérique sont isolés par une résistance de 1 m ohm et un condensateur de découplage 0,1uf. L'espacement entre le sol du châssis et le sol numérique doit être plus large que 60 mil, comme le montre la figure 4 et la figure 5.

Tous les plans d'alimentation numériques et analogiques avec différentes tensions d'alimentation doivent être isolés, comme le montre la figure 6 et la figure 7.