网络变压器为何能扮演信号传输的“清道夫“

在信息化时代网络通信技术日新月异高速、稳定的数据传输成为企业发展的关键因素。网络变压器作为通信设备中不可或缺的组件发挥着至关重要的作用。网络变压器又被称为网络隔离变压器或者数据汞网络隔离变压器的叫法相对常见而数据汞主要是消费级PCI网卡应用上比较常用的

1. 网络变压器的概述

网络变压器是一种专门用于网络通信领域的电子元器件 也是实现以太网与终端接口连接的关键组件肩负着信号传输、阻抗匹配、杂波抑制以及高压隔离等多重使命为确保数据在传输过程中的 稳定性和安全性 在通信领域中扮演着不可或缺的角色。网络变压器的核心组成部分包括磁芯、线圈、骨架、屏蔽罩以及连接器等。其 工作原理基于电磁感应 通过一次侧线圈接收到的信号在磁芯中产生变化的磁场进而在二次侧线圈中感应出电压以此完成信号的传递。

当然从理论上讲以太网可以直接与终端接口相连但外部电路的干扰以及传输距离的限制使得这一方案在实际应用中存在瓶颈。网络变压器的介入凭借其独特的绕线结构——差模电感与共模电感的结合有效地抑制了共模和差模信号的干扰实现了信号的滤波和增强从而显著提升了信号的传输距离。

此外网络变压器的应用也为以太网与外部电路之间构建了一道有效的隔离屏障大大增强了系统的抗干扰能力。即便面临不同电压的接入也能确保以太网本身的稳定运行。同时网络变压器也为设备提供了一定程度的防雷保护。

2. 网络变压器构成件及工作原理

网络变压器基础三大件为T件(Transformer变压器)、K件(Common mode Choke共模扼流圈)、A件(Center Tapped Auto-Transformer中心抽头自耦变压器) 根据组合方式不同网络变压器又分为单T件网络变压器、T件+K件网络变压器、T件+三线穿环K件网络变压器和T件+K件+A件网络变压器。

1、单T件网络变压器

如下图1所示。为单T件网络变压器及其阻止EMI传向PHY芯片和数据信号传输示意图。

图1 单T件网络变压器及信号传输示意图

在Pin4和Pin6上的EMI干扰线号橙色信号大小相等方向相反波形完全相同。他们在次级上下两个线圈中引起的电流大小相等、方向相反相互抵消。 两电流在磁环内引起的磁通变化互相抵消了 。磁通变化为零意味着次级上、下两个线圈呈现的感抗为零可以用两根短路线代替它们。EMI通过两根短路线。中间抽头、R-C串联电路将EMI泄放到地线上进而减小了EMI的幅度。

同样的道理来自内部电路的EMI将通过初级线圈的中间抽头和C2泄放到地线上可减少设备内部的EMI通过导线向空中发射的幅度。

蓝色信号为数据电压信号在次级上下两个线圈中引起的电流大小相等、方向相同在T件次级线圈内部引起的磁通变化互相叠加呈现高感抗。

可见带中间抽头的网络变压器具有阻断EMI在其初级—次级线圈之间互相传播的作用。

2、T件+K件网络变压器

T件+K件网络变压器示意图及信号传输的示意图如下图2所示。

图2 T件+K件络变压器及信号传输示意图

图2所示为T件和K件扼流圈组成网络变压器的原理图。在网络变压器中增加K件是因为K件对有用的数据电压差分信号没有衰减作用但可以衰减EMI。增加K件后可以进一步阻断EMI在其初级一次级线圈之间互相传播。

如上图右侧所示橙色信号为EMI、蓝色信号为电压差分信号橙色和蓝色箭头分别代表EMI和数据电压信号在K件和T件初级线圈的电流方向。分析可知 当数据电压信号从Pin4和Pin6流经K件的上下两个线圈时其电流大小相等方向相反。它们在K件磁环内部引起的磁通变化互相抵消了。 磁通变化为零意味着K件上、下两个线圈呈现的感抗为零。也就是说不考虑K件内阻影响的情况下K件对数据电压信号没有衰减能力。

如上图橙色箭头可知当EMI流经K件上下两个线圈时产生的电流大小相等方向相同。它们在K件磁环内部引起的磁通变化互相叠加。K件呈现的感抗ZL将按以下公式随着频率的上升而线性增加。L为K件的电感。

ZL=2πfL

K件是串联在EMI回路中的 EMI在到达T件次级线圈之前有相当一部分要降在K件两端所以扼流圈起到阻断EMI的作用。K件对EMI中高频成分的阻断效果更好因为频率越高越大降在K件两端的EMI越大。同样的道理K件还可以阻断设备内部产生的EMI传送到导线上。T件+K件网络变压器相较于T件网络变压器对于EMI的衰减能力进一步提升。

常规的型号16YM001；YT37-1107S；YT18-2050S，YT18-3105S，YT18-2401S等等.

3、T件+K件+A件网络变压器

图3为由T件、K件和A件自耦变压器组成的T件K件+A件网络变压器的原理图。图中新增加A件的电感量比较大通常在1.5~2.0mH。

在网络变压器中再增加A件是因为增加了电感量很大的A件对有用的数据电压信号没有明显的衰减 但可以更进一步阻断EMI在变压器初一次级之间传播。

图3 T件+K件+A件网络变压器示意图

如下图4所示网络变压器传送数据电压信号和EMI的示意图。在图中蓝色信号为数据电压信号、橙色信号为EMI橙色箭头和蓝色箭头分别是数据电压信号和EMI信号在网络变压器中电流的方向。

图4 T件+K件+A件网络变压器信号传输示意图

从图中可以看出EMI经过自耦变压器上、下两个线圈时其方向相反它们在A件磁环内部引起的磁通变化互相抵消因此A件呈现的感抗接近于零EMI通过R-C串联电路泄放到地线上因而减小了EMI的幅度。A件的泄放作用同T件的次级线圈作用相似。而数据电压信号在经过自耦变压器上下两个线圈时其方向相同他们在A件磁环内部引起的磁通变化互相叠加因此A件呈现的感抗很大。

EMI经过A件自耦变压器、K件扼流圈和T件次级线圈三重处理使得EMI的幅值大大降低该网络变压器对EMI的衰减能力大大提升。

常规的型号YT18-3002S等等！

注意

网络变压器中的K件和A件可以进一步遏制内外产生的EMI在网口通讯电路中传播但它们也对正常的数据信号产生一定负影响因为K件和A件都具有寄生和分布参数。例如K件和A件各自两个线圈之间都有线间电容这些电容都是并联在Pin6和Pin4两端的。在网络变压器输出或输入端并联电容必定会压缩其高频端的频带频带变窄将使通过它的数据电压信号的上升前沿和下降后沿变慢导致数据传送的速率降低。因此在网络变压器中安排一个K件和一个A件或者在其T件初级侧、次级侧各安排一个K件就足够了。如果再增加K件或A件的数目不仅增加生产成本还会降低数据传送的速率。

由于T件次级线圈起到A件的作用所以目前用得最多的是T件、K件组成的网络变压器。