Eingehende Analyse: Warum Netzwerktransformatoren als „Aasfresser“ für die Signalübertragung fungieren können

Im Informationszeitalter verändert sich die Netzwerkkommunikationstechnologie mit jedem Tag, und eine schnelle und stabile Datenübertragung ist zu einem Schlüsselfaktor für die Entwicklung von Unternehmen geworden. Als unverzichtbarer Bestandteil von Kommunikationsgeräten spielen Netzwerktransformatoren eine entscheidende Rolle. Heute gibt Ihnen VOOHU eine umfassende Einführung in die Grundkonzepte von Netzwerktransformatoren, deren Auswahl sowie deren Design und Anwendung, damit jeder ein umfassenderes Verständnis der Netzwerktransformatorprodukte erlangen kann. Gerne können Sie etwaige Mängel besprechen!

1. Übersicht über Netzwerktransformatoren
Netzwerktransformatoren sind elektronische Komponenten, die speziell im Bereich der Netzwerkkommunikation eingesetzt werden. Sie sind auch Schlüsselkomponenten für die Anbindung von Ethernet an Terminalschnittstellen. Sie sind für mehrere Aufgaben wie Signalübertragung, Impedanzanpassung, Rauschunterdrückung und Hochspannungsisolierung verantwortlich. Sie spielen im Bereich der Kommunikation eine unverzichtbare Rolle, um die Stabilität und Sicherheit der Daten bei der Übertragung zu gewährleisten. Zu den Kernkomponenten von Netzwerktransformatoren gehören Magnetkerne, Spulen und Skelette. Sein Funktionsprinzip basiert auf elektromagnetischer Induktion. Das von der Primärspule empfangene Signal erzeugt ein sich änderndes Magnetfeld im Magnetkern und induziert dann eine Spannung in der Sekundärspule, um die Signalübertragung abzuschließen.

Theoretisch kann Ethernet natürlich direkt an die Terminalschnittstelle angeschlossen werden, aber die Interferenz externer Schaltkreise und die Begrenzung der Übertragungsentfernung machen diese Lösung zu einem Engpass in praktischen Anwendungen. Der Einsatz von Netzwerktransformatoren mit seiner einzigartigen Wicklungsstruktur-der Kombination aus Differenzialmodus-Induktivitäten und Gleichtakt-Induktivitäten unterdrückt effektiv die Interferenz von Gleichtakt- und Differenzialmodus-Signalen, realisiert eine Signalfilterung und -verstärkung und verbessert somit die Signalübertragungsentfernung erheblich. Darüber hinaus wird durch den Einsatz von Netzwerktransformatoren auch eine wirksame Isolationsbarriere zwischen Ethernet und externen Schaltkreisen aufgebaut, wodurch die Entstörungsfähigkeit des Systems erheblich verbessert wird. Auch bei unterschiedlichen Spannungsanschlüssen kann der stabile Betrieb von Ethernet selbst gewährleistet werden. Gleichzeitig sorgt der Netztransformator auch für einen gewissen Blitzschutz der Anlage.

2. Komponenten und Funktionsprinzip des Netzwerktransformators
Die drei grundlegenden Teile eines Netzwerktransformators sind: T (Transformator), K (Gleichtaktdrossel) und A (Center Tapped Auto-Transformer). Je nach Kombination werden Netzwerktransformatoren unterteilt in: Einzel-T-Stück-Netzwerktransformator, T+K-Stück-Netzwerktransformator, T+Dreidrahtschleifen-K-Stück-Netzwerktransformator und T+K+A-Stück-Netzwerktransformator.

1. Einzelner T-Stück-Netzwerktransformator
Wie in der Abbildung unten gezeigt. Es handelt sich um ein schematisches Diagramm eines einzelnen T-piece-Netzwerktransformators und seiner Fähigkeit, die Übertragung elektromagnetischer Störungen auf den PHY-Chip und die Übertragung von Datensignalen zu verhindern.

Die Anzahl der EMI-Interferenzlinien (orangefarbenes Signal) an Pin4 und Pin6 ist gleich groß, entgegengesetzt gerichtet und hat genau die gleiche Wellenform. Die Ströme, die sie in der oberen und unteren Spule der Sekundärwicklung verursachen, sind gleich groß und entgegengesetzt gerichtet und heben sich gegenseitig auf. Die durch die beiden Ströme im Magnetring verursachten Flussänderungen heben sich gegenseitig auf. Die Flussänderung ist Null, was bedeutet, dass die induktive Reaktanz der oberen und unteren Spulen der Sekundärwicklung Null ist und sie durch zwei Kurzschlussleitungen ersetzt werden können. EMI verläuft durch zwei Kurzschlussleitungen. Der Mittelabgriff und die R-C-Reihenschaltung leiten elektromagnetische Störungen zum Erdungskabel ab und reduzieren so die Amplitude der elektromagnetischen Störungen.
Aus dem gleichen Grund werden elektromagnetische Störungen des internen Schaltkreises über den Mittelabgriff und C2 der Primärspule zum Erdungskabel abgeleitet, wodurch die Amplitude der elektromagnetischen Störungen innerhalb des Geräts verringert werden kann, die über das Kabel in die Luft abgegeben werden.
Das blaue Signal ist das Datenspannungssignal. Die in der oberen und unteren Spule des Sekundärteils verursachten Ströme sind in Größe und Richtung gleich, und die innerhalb der Sekundärspule des T-Stücks verursachten Flussänderungen überlagern sich, was eine hohe induktive Reaktanz zeigt.
Es ist ersichtlich, dass der Netzwerktransformator mit Mittelabgriff die Funktion hat, die gegenseitige Ausbreitung von elektromagnetischen Störungen zwischen seiner Primär- und Sekundärspule zu blockieren.

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


Abbildung 1 zeigt das schematische Diagramm eines Netzwerktransformators bestehend aus T und K (Drossel). K wird dem Netzwerktransformator hinzugefügt, da es keinen Dämpfungseffekt auf das Nutzdatenspannungssignal (Differenzsignal) hat, aber elektromagnetische Störungen dämpfen kann. Das Hinzufügen von K kann die Ausbreitung elektromagnetischer Störungen zwischen der Primär- und Sekundärspule weiter verhindern.

Wie auf der rechten Seite der obigen Abbildung dargestellt, handelt es sich bei dem orangefarbenen Signal um EMI und bei dem blauen Signal um das Spannungsdifferenzsignal. Die orangefarbenen und blauen Pfeile stellen die aktuelle Richtung der EMI- und Datenspannungssignale in den Primärspulen von K bzw. T dar. Die Analyse zeigt, dass die Ströme gleich groß und entgegengesetzt gerichtet sind, wenn das Datenspannungssignal von Pin4 und Pin6 durch die obere und untere Spule von K fließt. Die durch sie verursachten magnetischen Flussänderungen innerhalb des Magnetrings von K heben sich gegenseitig auf. Die magnetische Flussänderung ist Null, was bedeutet, dass die induktive Reaktanz der oberen und unteren Spule von K Null ist. Mit anderen Worten: Ohne Berücksichtigung des Einflusses des Innenwiderstands von K hat K keine Dämpfungsfähigkeit für das Datenspannungssignal.

Wie durch die orangefarbenen Pfeile in der Abbildung oben dargestellt, sind die erzeugten Ströme in Größe und Richtung gleich, wenn elektromagnetische Störungen durch die obere und untere Spule der K--Komponente fließen. Die dadurch verursachten magnetischen Flussänderungen innerhalb des Magnetrings der K-Komponente überlagern sich. Die durch die K--Komponente dargestellte induktive Reaktanz ZL nimmt gemäß der folgenden Formel linear mit zunehmender Frequenz zu. L ist die Induktivität der K-Komponente.
ZL=2πfL

Die K--Komponente ist in der EMI-Schleife in Reihe geschaltet. Bevor die EMI die Sekundärspule der T--Komponente erreicht, fällt ein beträchtlicher Teil davon auf beide Enden der K--Komponente, sodass die Drossel die Rolle der Blockierung von EMI übernimmt. Die K--Komponente hat eine bessere Blockierungswirkung auf die hochfrequenten EMI-Komponenten, denn je höher die Frequenz, desto größer ist der EMI-Abfall an beiden Enden der K-Komponente. Aus dem gleichen Grund kann die K--Komponente auch verhindern, dass die im Gerät erzeugten elektromagnetischen Störungen auf das Kabel übertragen werden. Der T-component + K-component-Netzwerktransformator verfügt im Vergleich zum T-component-Netzwerktransformator über eine weiter verbesserte EMI-Dämpfungsfähigkeit.

3. T+K+A-Netzwerktransformator Abbildung 1 unten ist ein schematisches Diagramm eines T+K+A-Netzwerktransformators, bestehend aus T, K und A (Spartransformator). Die Induktivität des neu hinzugefügten A in der Abbildung ist relativ groß, normalerweise 1,5 bis 2,0 mH. Der Grund dafür, dass A zum Netzwerktransformator hinzugefügt wird, besteht darin, dass das hinzugefügte A mit einer großen Induktivität das Nutzdatenspannungssignal nicht wesentlich dämpft, aber die Ausbreitung von elektromagnetischen Störungen zwischen der Primär- und Sekundärseite des Transformators weiter blockieren kann.

Das schematische Diagramm des Netzwerktransformators, der Datenspannungssignale und EMI überträgt, ist in Abbildung 2 dargestellt. In der Abbildung ist das blaue Signal das Datenspannungssignal, das orangefarbene Signal ist das EMI; Der orange Pfeil und der blaue Pfeil sind die Stromrichtungen des Datenspannungssignals bzw. des EMI-Signals im Netzwerktransformator.

Wie aus der Abbildung ersichtlich ist, sind die Richtungen der elektromagnetischen Störungen, die durch die oberen und unteren Spulen des Spartransformators verlaufen, entgegengesetzt, und die von ihnen verursachten Änderungen des magnetischen Flusses innerhalb des Magnetrings von Teil A heben sich gegenseitig auf, sodass die induktive Reaktanz von Teil A nahezu Null ist und elektromagnetische Störungen über die R-C-Serienschaltung zur Erde abgeleitet werden, wodurch die Amplitude der elektromagnetischen Störungen verringert wird. Der Entladungseffekt von Teil A ähnelt dem der Sekundärspule von Teil T. Wenn das Datenspannungssignal durch die obere und untere Spule des Spartransformators läuft, ist seine Richtung gleich und die durch sie verursachten Änderungen des Magnetflusses innerhalb des Magnetrings von Teil A überlagern sich einander, sodass der von Teil A dargestellte induktive Blindwiderstand sehr groß ist.
EMI wird durch Teil A (Spartransformator), Teil K (Drossel) und Teil T der Sekundärspule dreifach verarbeitet, wodurch die Amplitude der EMI erheblich reduziert und die Dämpfungsfähigkeit des Netzwerktransformators gegenüber EMI erheblich verbessert wird.

3. Klassifizierung von Netzwerktransformatoren
Netzwerktransformatoren werden hauptsächlich anhand der folgenden Kernparameter klassifiziert: Strukturtyp, Verpackungstyp, Übertragungsrate, Anzahl der Ports, Anwendungsumgebung und POE-Stromversorgungskapazität

1. Klassifizierung nach Strukturtyp:
RJ45-Anschlüsse für separate Netzwerktransformatoren und integrierte Netzwerktransformatormodule

2. Klassifizierung nach Pakettyp:
SMD-Oberflächenmontage
DIP-Plug-in-Perforation

3. Klassifizierung nach Übertragungsrate:
10/100 Basis-TX
Gigabit-Basis-TX
2,5G Basis-T
5G-Basis-T
10G Basis-T

4. Klassifizierung nach Anzahl der Ports:
Einzelner Port
Dual-Ports
Quad-Ports

5. Klassifizierung basierend auf der Betriebstemperatur der Anwendungsumgebung des Kunden:
Unterhaltungselektronik (Verbraucherbetriebstemperatur: 0–70 °C)
Industrieausrüstung (Industriebetriebstemperatur: -40~+85°C)
Automotive (Automotive-Betriebstemperatur: -40~+125°C)
Militär und Luft- und Raumfahrt (Militär-Lufteinsatztemperatur: -55~+155°C)

6. Klassifizierung basierend auf der POE-Stromversorgungskapazität:
Nicht-PoE
(Erfüllt den IEEE802.3ab-Standard)
PoE
(15W Netzteilkapazität,
Erfüllt den IEEE802.3af-Standard)
PoE+
(30 W und mehr Stromversorgungskapazität,
Erfüllt den IEEE802.3at-Standard)
4PPoE
(90W Netzteilkapazität,
Erfüllt den IEEE802.3bt-Standard)

4. Design und Auswahl von Netzwerktransformatoren
PHY-Chips werden je nach Schnittstellentreibertyp in Spannungs-PHY und Strom-PHY unterteilt. Im tatsächlichen Netzwerkprozess kann das lokale Gerät die Typ- und Pegelanforderungen des anderen Geräts nicht vorhersagen. Aufgrund des Vorhandenseins eines Transformators muss sich die Verbindung verschiedener PHY-Chiptypen jedoch nur auf die Strategien der AC-Kopplung auf unterschiedlichen Ebenen beziehen, dh nur auf ihre eigene lokale Anpassung achten. Wenn es sich bei beiden Seiten um einen Spannungs-PHY handelt, gibt es kein Problem bei der Verbindung über den Transformator, da die Schnittstelle des Spannungs-PHY Standard ist, und der Mittelabgriff des Transformators kann direkt über einen Kondensator geerdet werden; Wenn beide Seiten Stromtyp-PHY sind, muss der Mittelabgriff des Transformators mit der Stromversorgung verbunden werden, da der Schnittstellentreiber des Stromtyp-PHY eine Stromeinspeisung erfordert, und die Pull-up-Spannung hängt von der vom PHY-Chip selbst benötigten Gleichtaktspannung ab; Wenn der Spannungs-PHY und der Strom-PHY verbunden sind, kann die Pull-Up-Stromversorgung der Abgriffe auf beiden Seiten auf den Anforderungen ihrer jeweiligen PHY-Chips basieren, auch wenn sie unterschiedlich sind, spielt das keine Rolle, da der Transformator keine Gleichspannung übertragen kann.

Gleichtaktinduktivitäten werden in zwei Typen unterteilt: Zweileiter-Gleichtaktinduktoren und Dreileiter-Gleichtaktinduktoren. Sie können auf der PHY-Seite, der Kabelseite oder auf beiden Seiten platziert werden. In Abbildung 1 sind mehrere Platzierungsmethoden dargestellt.

Durch die Platzierung der Gleichtaktinduktivität auf der Kabelseite können die durch die Unsymmetrie des Transformators verursachten Störungen besser gefiltert werden, was im Vergleich zur Platzierung auf der PHY-Seite einen Vorteil darstellt. Im POE-Stromversorgungsszenario muss der Gleichtaktinduktor auf der PHY-Seite jedoch nicht den POE-Strom tragen und ist nicht leicht zu sättigen, sodass seine Größe kleiner gemacht werden kann, was vorteilhafter für das Layout ist, und auch seine EMV-Leistung ist besser. Da der Stromtyp-PHY eine externe Stromversorgung benötigt, um Strom bereitzustellen, fließt der Strom bei Verwendung mit einer Zweidraht-Gleichtaktinduktivität bei niedrigem Ausgang durch den Haupttransformator und die obere Hälfte der Gleichtaktinduktivität, um eine Schleife zu bilden, und umgekehrt, wenn die Ausgabe hoch ist. Wenn der Ausgang 0 ist, fließt der Strom durch die beiden Spulen der Gleichtaktinduktivität und bildet eine Schleife. Wenn der Strom nur durch eine Spule fließt, kann das erzeugte Magnetfeld nicht ausgeglichen werden und die Gleichtaktinduktivität weist eine hohe Impedanz auf, was die Signalqualität des normalen Signals beeinträchtigt. Bei Verwendung eines Dreileiter-Gleichtaktmodus fließt der Strom unabhängig vom ausgegebenen Strom durch die beiden Spulen in entgegengesetzter Richtung und die Magnetfelder heben sich gegenseitig auf, was keinen Einfluss auf das Signal hat.

Wenn die Anforderungen an relevante EMV-Indikatoren hoch sind, wird die in Abbildung 1 (c) gezeigte Struktur übernommen und Gleichtaktinduktivitäten werden sowohl auf der PHY-Seite als auch auf der Kabelseite angeordnet. Zur Anpassung an den aktuellen PHY-Typ kann der Gleichtaktinduktor auf der PHY-Seite in einen Dreidraht-Gleichtaktinduktor geändert werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass in Szenarien, in denen keine POE-Stromversorgung erforderlich ist, die Kompatibilität und die Vorteile der Zweidraht-Gleichtaktspule und der kabelseitigen Platzierungslösung höher sind, aber im POE-Szenario kann der Dreidraht-Gleichtaktspule und der PHY-seitigen Platzierungslösung Vorrang eingeräumt werden.

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


VOOHU kann seinen Kunden umfassende Auswahlbedürfnisse erfüllen.



1. Wenn Sie elektronische Dateien oder Auswahlmaterialien in Papierform benötigen, können Sie uns im Hintergrund eine Nachricht hinterlassen. Oder folgen Sie dem offiziellen Account: VOOHU Electronics
2. Besuchen Sie unsere Website: https://www.voohu.cn, um das Modell auszuwählen. Unsere Plattform unterstützt Auswahlparameter, Datendownload und Kleinserienkauf von Proben. Dringend empfohlen
3. Senden Sie Ihre Anforderungen an unsere Vertriebs- und Kundendienstmitarbeiter. Wir empfehlen Ihnen herkömmliche Materialien zur Auswahl. Kundendienst-Hotline: 400-1048-018

5. Design und Anwendung von Netzwerktransformatoren
1. Separate Netzwerktransformatoranwendung:
Abbildung 1 unten zeigt eine typische Anwendung von Ethernet. Unser PCB-Design ist grundsätzlich nach diesem Blockschaltbild ausgelegt und verdrahtet. Im Folgenden erläutern wir anhand dieses Blockdiagramms den Aufbau und die Verkabelungspunkte im Zusammenhang mit Ethernet.

PCB-Layout und Verdrahtungsplan. Im Folgenden werden anhand von Abbildung 2 die wichtigsten Punkte vorgestellt, die bei der Auslegung und Verkabelung der Ethernet-Schaltung beachtet werden müssen.

2. Transformator - getrenntes RJ45-Design

3. Anforderungen an das PCB-Layout
1) Wenn der Transformator und die RJ45-Schnittstelle getrennt sind, wie in der Abbildung gezeigt, sollte der Abstand zwischen der RJ45-Schnittstelle und dem Transformator so weit wie möglich verkürzt werden (unter Einhaltung der Prozessanforderungen).



2) Der Abstand zwischen dem Ethernet-Konvertierungschip PHY und dem Transformator sollte ebenfalls so kurz wie möglich sein und im Allgemeinen 5 Zoll nicht überschreiten. Wenn die RJ45-Schnittstelle mit einem Transformator ausgestattet ist, sollte der Ethernet-Konvertierungschip so nah wie möglich an der RJ45-Schnittstelle platziert werden, wie in der Abbildung unten dargestellt.



3) Wie in der Abbildung unten gezeigt, basiert die Platzierung des AC-Abschlusswiderstands im Allgemeinen auf den Empfehlungen im Chip-Handbuch. Einige Chips müssen am Ende des Ethernet-Konverters platziert werden. Wenn keine besonderen Anforderungen bestehen, platzieren Sie es in der Nähe des Ethernet-Konvertierungschips.


4) Das Signal der Rücksetzschaltung sollte so nah wie möglich am Ethernet-Konvertierungschip liegen und wenn möglich von TX+/-, RX+/- entfernt sein Differenzsignale und Taktsignale;
5) Die Taktschaltung sollte so nah wie möglich am Ethernet-Konvertierungschip liegen, entfernt vom Rand der Leiterplatte und anderen Hochfrequenzsignalen, der E/A-Port-Routing und anderen magnetischen Komponenten;
Gemäß den oben genannten Layoutanforderungen kann das Gesamtlayoutdiagramm wie in der folgenden Abbildung dargestellt zusammengefasst werden

4. Anforderungen an die Leiterplattenverkabelung
1) TX+, TX- und RX+, RX- sollte so weit wie möglich auf der Oberfläche platziert werden. Der Abstand zwischen den beiden Differentialpaaren sollte mindestens 4 W betragen, und die Beschränkung auf gleiche Länge innerhalb des Paares beträgt 5 Mil. Die beiden Differentialpaare müssen nicht gleich lang sein, wie in Abbildung 1 dargestellt

2) Da der Transformator eine Störquelle darstellt, müssen alle Schichten unterhalb des Transformators ausgehöhlt werden. Es ist lediglich erforderlich, den Siebdruck des Transformators auszuhöhlen, ohne die Pads auszugraben, wie in Abbildung 2 dargestellt.

3) Der Übertragungsteil vom PHY-Chip zur CPU (GTX_CLK\TX_EN\TX_ER\TXD[7:0]) und der Empfangsteil (GRX_CLK\RX_DV\RX_ER\RXD[7:0]) sollten separat geroutet werden. Vermischen Sie nicht die Empfangs- und Sendenetzwerke. Der Abstand zwischen den Leitungen sollte 3W betragen. RX und TX sollten die gleiche Länge haben, innerhalb von 100 mil, und die Impedanz sollte auf 50 Ohm geregelt werden.
4) Die Verlegung von Stromsignalen, einschließlich der Verlegung von Entkopplungskondensatoren, Stromleitungen und Erdungsleitungen, sollte kurz und breit gehalten werden. Der Durchmesser der Durchkontaktierungen an den Entkopplungskondensatoren sollte etwas größer sein. Jeder Kondensator sollte über eine unabhängige Erdungsdurchführung verfügen und die Erdungsdurchführung sollte nicht gemeinsam genutzt werden.
5) Der AC-Abschluss muss im Allgemeinen nach Durchlaufen eines Widerstands mit dem Chip oder Transformator verbunden werden. Es sind keine STUB-Zeilen erlaubt;
6) Für die Differentialpaare von Gigabit-Ethernet sollte die optimale Signalschicht für das Routing ausgewählt werden. Die Anzahl der Durchkontaktierungen sollte zwei nicht überschreiten, und wenn Löcher zum Wechseln der Schichten gestanzt werden, sollten Erdungsdurchkontaktierungen innerhalb von 200 mil hinzugefügt werden, wie in Abbildung 3 dargestellt.

7) Prinzipien der Strom- und Erdungsverarbeitung: Die Erdung des RJ45-Chassis und die digitale Erdung sind durch einen 1-M-Ohm-Widerstand und einen 0,1-uF-Entkopplungskondensator isoliert. Der Abstand zwischen der Gehäusemasse und der digitalen Masse muss größer als 60 mil sein, wie in Abbildung 4 und Abbildung 5 dargestellt.

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