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网络变压器作用、原理及主要参数

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标签: 网络

网络是由节点和连线构成,表示诸多对象及其相互联系。在数学上,网络是一种图,一般认为专指加权图。网络除了数学定义外,还有具体的物理含义,即网络是从某种相同类型的实际问题中抽象出来的模型。在计算机领域中,网络是信息传输、接收、共享的虚拟平台,通过它把各个点、面、体的信息联系到一起,从而实现这些资源的共享。网络是人类发展史来最重要的发明,提高了科技和人类社会的发展。

变压器

变换交流电压、电流和阻抗的器件,当初级线圈中通有交流电流时,铁芯(或磁芯)中便产生交流磁通,使次级线圈中感应出电压(或电流)。变压器由铁芯(或磁芯)和线圈组成,线圈有两个或两个以上的绕组,其中接电源的绕组叫初级线圈,其余的绕组叫次级线圈,变压器就是一种利用电磁互感应,变换电压,电流和阻抗的器件。

本文将主要分析网络变压器的原理、主要参数及实现的功能。

文档内容节选

网络变压器作用原理及主要参数    前言  图 1 所示的网络变压器Ethernet  Transformer,也称数据汞网络隔离变压器模块是 网卡电路中不可或缺的部分,它主要包含中间抽头电容变压器自耦变压器共模电感 该变压器一般都安装在网卡的输入端附近工作时,由收发器送出的上行数据信号从网络变 压器的 Pin16Pin15 进入,由 Pin10Pin11 输出,经 RJ45 型转接头,再通过非屏蔽双绞线送 往服务器服务器送来的下行数据信号经另一对非屏蔽双绞线和 RJ45 型转接头,由 Pin7Pin6 进入,由 Pin1Pin2 输出,然后送到网卡的收发器上  本文将主要分析网络变压器的原理主要参数及实现的功能  图 1:网络变压器电路图      功能  网络变压器Ethernet Transformer主要实现以下三个功能:  1满足 IEEE 8023 电气隔离要求  2无失真传输以太网信号  3辐射发射的抑制    电气隔离  任何 CMOS 制程的芯片工作的时候产生的信号电平总是大于 0V 的取决于芯片的制程 和设计需求,PHY 输出信号送到 100 米甚至更长的地方会有很......

网络变压器作用、原理及主要参数    前言  图 1 所示的网络变压器(Ethernet  Transformer,也称数据汞/网络隔离变压器)模块是 网卡电路中不可或缺的部分,它主要包含中间抽头电容、变压器、自耦变压器、共模电感。 该变压器一般都安装在网卡的输入端附近。工作时,由收发器送出的上行数据信号从网络变 压器的 Pin16‐Pin15 进入,由 Pin10‐Pin11 输出,经 RJ45 型转接头,再通过非屏蔽双绞线送 往服务器;服务器送来的下行数据信号经另一对非屏蔽双绞线和 RJ45 型转接头,由 Pin7‐Pin6 进入,由 Pin1‐Pin2 输出,然后送到网卡的收发器上。  本文将主要分析网络变压器的原理、主要参数及实现的功能。  图 1:网络变压器电路图      功能  网络变压器(Ethernet Transformer)主要实现以下三个功能:  1.满足 IEEE 802.3 电气隔离要求;  2.无失真传输以太网信号;  3.辐射发射的抑制。    电气隔离  任何 CMOS 制程的芯片工作的时候产生的信号电平总是大于 0V 的(取决于芯片的制程 和设计需求),PHY 输出信号送到 100 米甚至更长的地方会有很大的直流分量的损失。而且 如果外部网线直接和芯片相连的话,电磁感应(如打雷)和静电,很容易造成芯片的损坏。      ‐ 1 ‐ 再就是设备接地方法不同,电网环境不同会导致双方的 0V 电平不一致,这样信号从 A 传到 B,由于 A 设备的 0V 电平和 B 点的 0V 电平不一样,这样可能会导致很大的电流从电 势高的设备流向电势低的设备。  网络变压器把 PHY 送出来的差分信号用差模耦合的线圈耦合滤波以增强信号,并且通 过电磁场的转换耦合到连接网线的另外一端。这样不但使网线和 PHY 之间没有物理上的连 接而换传递了信号,隔断了信号中的直流分量,还可以在不同 0V 电平的设备中传送数据。    网络变压器本身就是设计为耐 2KV~3KV 的电压的,这也起到了防雷保护作用。有些朋 友的网络设备在雷雨天气时容易被烧坏,大都是 PCB 设计不合理造成的,而且大都烧毁了 设备的接口,很少有芯片被烧毁的,就是变压器起到了保护作用。  隔离变压器可满足 IEEE802.3 的绝缘要求,但不能抑制 EMI。    共模抑制  在双绞线中的每一根导线是以双螺旋形结构相互缠绕着。流过每根导线的电流所产生的 磁场受螺旋形的制约。流过双绞线中每一根导线的电流方向,决定每对导线发射噪音的程度。 在每对导线上流过差模和共模电流所引起的发射程度是不同的,差模电流引起的噪音发射是 较小的,所以噪音主要是由共模电流决定。    1. 双绞线中的差模信号  对差模信号而言,它在每一根导线上的电流是以相反方向在一对导线上传送。如果这一 对导线是均匀的缠绕,这些相反的电流就会产生大小相等,反向极化的磁场,使它的输出互 相抵消。在无屏蔽双绞线系统中的差模信号如图 2 所示:  图 2:无屏蔽双绞线中的差模信号    在无屏蔽双绞线中,不含噪音的差模信号不产生射频干扰。      2. 双绞线中的共模信号  共模电流在两根导线上以相同方向流动,并经过寄生电容 Cp 到地返回。在这种情况下, 电流产生大小相等极性相同的磁场,它们的输出不能相互抵消。如图 6 所示,共模电流在对   ‐ 2 ‐ 绞线的表面产生一个电磁场,它的作用正如天线一样。  图 3:无屏蔽双绞线中的共模信号    在无屏蔽对绞线中,共模信号产生射频干扰。      3. 共模、差模噪音及其 EMC  电缆上噪音有从电源电缆和信号电缆上产生的辐射噪音和传导噪音两大类。这两大类中 又分为共模噪音和差模噪音两种。差模传导噪音是电子设备内部噪音电压产生的与信号电流 或电源电流相同路径的噪音电流,如图 4 所示。减小这种噪音的方法是在信号线和电源线上 串联差模扼流圈、并联电容或用电容和电感组成低通滤波器,来减小高频的噪音,如图 5 所示:    图 4:差模噪声    图 5:差模噪声的抑制            差模辐射噪音是图 4 电缆中的信号电流环路所产生的辐射。这种噪音产生的电场强度与 电缆到观测点的距离成反比,与频率的平方成正比,与电流和电流环路的面积成正比。因此, 减小这种辐射的方法是在信号输入端加 LC 低通滤波器阻止噪音电流流进电缆;使用屏蔽电 缆或扁平电缆,在相邻的导线中传输回流电流和信号电流,使环路面积减小。  共模传导噪音是在设备内噪音电压的驱动下,经过大地与设备之间的寄生电容,在大地   ‐ 3 ‐ 与电缆之间流动的噪音电流产生的,如图 6 所示:  图 6:共模噪声    减小共模传导噪音的方法是在信号线或电源线中串联共模扼流圈、在地与导线之间并联 电容器、组成 LC 滤波器进行滤波,滤去共模传导噪声。其电路如图 7 所示:  图 7:共模噪声的抑制    共模扼流圈是将信号线与地线同方向绕在铁氧体磁芯上构成的,它对线间流动的差模信 号电流和电源电流阻抗很小,而对两根导线与地之间流过的共模电流阻抗则很大。共模辐射 噪音是由于电缆端口上有共模电压,在其驱动下,从大地到电缆之间有共模电流流动而产生 的。辐射的电场强度与电缆到观测点的距离成反比,(当电缆长度比电流的波长短时)与频 率和电缆的长度成正比。减小这种辐射的方法有:通过在线路板上使用地线面来降低地线阻 抗,在电缆的端口处使用 LC 低通滤波器或共模扼流圈。另外,尽量缩短电缆的长度和使用 屏蔽电缆也能减小辐射。  网络变压器中集成的共模电感可有效抑制共模电流引起的 EMI 问题,但需要特别注意 共模电感的位置,如果放在芯片侧,则不适合于电流驱动型的芯片,如图 8 所示,当电流流 经共模电感的方向相同时,共模电感磁芯中并没有磁力线相互抵消,此时共模电感的阻抗阻 碍电流的变化,进而影响到正常工作的信号。    ‐ 4 ‐ 图 8:两线共模电感用于电流驱动型的芯片    如果放在电缆侧,为保证 Bob Smith 电路的匹配作用,需要再增加一个自耦变压器,如 图 9 所示:  图 9:自耦变压器的作用      图 10:MNC2401GS 网络变压器(V211 使用)      以上方案需要多增加一个磁芯,所以目前应用更多的是使用三线共模电感,如图 11。 此种方案既可以适用于电流驱动型的芯片,而且只需要两个磁芯,减少了成本。    ‐ 5 ‐
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