Analyse approfondie : pourquoi les transformateurs de réseau peuvent agir comme des « récupérateurs » pour la transmission du signal

À l'ère de l'information, la technologie des communications en réseau évolue chaque jour, et la transmission de données stable et à haut débit est devenue un facteur clé dans le développement des entreprises. En tant que composant indispensable des équipements de communication, les transformateurs de réseau jouent un rôle essentiel. Aujourd'hui, VOOHU vous présentera une introduction complète aux concepts de base des transformateurs de réseau, comment les sélectionner, ainsi que leur conception et leur application, afin que chacun puisse avoir une compréhension plus complète des produits de transformateurs 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 des terminaux. Ils sont responsables de plusieurs missions telles que la transmission du signal, l'adaptation d'impédance, la suppression du bruit et l'isolation haute tension. Ils jouent un rôle indispensable dans le domaine des communications pour assurer la stabilité et la sécurité des données lors de la transmission. Les composants principaux des transformateurs de réseau comprennent les noyaux magnétiques, les bobines et les squelettes. Son principe de fonctionnement 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 terminer la transmission du signal.

Bien sûr, en théorie, Ethernet peut être directement connecté à l'interface du terminal, mais les interférences 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 de mode différentiel et d'inductances de mode commun, supprime efficacement les interférences 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 crée également une barrière d'isolation efficace entre Ethernet et les circuits externes, améliorant considérablement la capacité anti-interférence du système. Même face à des connexions de tension différentes, le fonctionnement stable d'Ethernet lui-même peut être assuré. Parallèlement, le transformateur réseau assure également un certain degré de protection contre la foudre pour l'équipement.

2. Composants du transformateur de réseau et principe de fonctionnement
Les trois parties de base d'un transformateur réseau sont : T (Transformateur), K (Inductance de mode commun) et A (Automatique à prise centrale - Transformateur). Selon différentes combinaisons, les transformateurs de réseau sont divisés en : transformateur de réseau simple T - pièce, transformateur de réseau T + K - pièce, transformateur de réseau T + trois - boucle K - pièce et transformateur de réseau T + K + A - pièce.

1. Transformateur de réseau en T unique
Comme le montre la figure ci-dessous. Il s'agit d'un diagramme schématique d'un transformateur de réseau en T unique et de sa capacité à empêcher la transmission des EMI à la puce PHY et à la transmission du signal de données.

Le numéro de ligne d'interférence EMI (signal orange) sur Pin4 et Pin6 est de même ampleur, de direction opposée et a exactement la même forme d'onde. Les courants qu'ils provoquent dans les bobines supérieure et inférieure du secondaire sont de même amplitude et de direction opposée, s'annulant mutuellement. Les changements de flux provoqués par les deux courants dans l’anneau magnétique s’annulent. Le changement de flux est nul, ce qui signifie que la réactance inductive présentée par les bobines supérieure et inférieure du secondaire est nulle et qu'elles peuvent être remplacées par deux lignes de court-circuit. EMI passe par deux lignes de court-circuit. La prise centrale et le circuit de la série R-C déchargent les EMI vers le fil de terre, réduisant ainsi l'amplitude des EMI.
Pour la même raison, les EMI du circuit interne seront évacuées vers le fil de terre via la prise centrale et C2 de la bobine primaire, ce qui peut réduire l'amplitude des EMI à l'intérieur de l'appareil émises dans l'air à travers le fil.
Le signal bleu est le signal de tension de données. Les courants provoqués dans les bobines supérieure et inférieure du secondaire sont égaux en amplitude et en direction, et les changements de flux provoqués à l'intérieur de la bobine secondaire de la pièce en T se superposent les uns aux autres, montrant une réactance inductive élevée.
On peut voir que le transformateur de réseau avec une prise médiane a pour fonction de bloquer la propagation mutuelle des EMI entre ses bobines primaire et secondaire.

2. Transformateur réseau T-pièce + K-pièce
Le schéma de principe du transformateur de réseau T-piece + K-piece et le schéma de principe de la transmission du signal sont présentés 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 réseau car il n'a aucun effet d'atténuation sur le signal de tension de données utile (différentiel), mais peut atténuer les interférences électromagnétiques. L'ajout de K peut empêcher davantage les EMI de se propager entre les bobines primaire et secondaire.

Comme le montre 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 bleue représentent respectivement la direction actuelle des signaux EMI et de tension de données dans les bobines primaires de K et T. L'analyse montre que lorsque le signal de tension de données circule depuis les broches 4 et 6 à travers les bobines supérieure et inférieure de K, les courants sont égaux en amplitude et en direction opposée. Les changements de flux magnétique qu’ils provoquent à l’intérieur de l’anneau magnétique de K s’annulent. La variation du flux magnétique est nulle, ce qui signifie que la réactance inductive présentée par les bobines supérieure et inférieure de K est nulle. En d’autres termes, sans tenir compte de l’influence de la résistance interne de K, K n’a aucune capacité d’atténuation pour le signal de tension de données.

Comme le montrent les flèches orange dans la figure ci-dessus, lorsque les EMI circulent à travers les bobines supérieure et inférieure du composant K-, les courants générés sont égaux en amplitude et en direction. Les changements de flux magnétique qu'ils provoquent à l'intérieur de l'anneau magnétique du composant K- se superposent les uns aux 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 du composant T-, une partie considérable de celle-ci tombera sur les deux extrémités du composant K-, la self joue donc le rôle de bloquer l'EMI. Le composant K-a un meilleur effet de blocage sur les composants haute fréquence de l'EMI, car plus la fréquence est élevée, plus l'EMI chute aux deux extrémités du composant K-. De la même manière, le composant K- peut également empêcher la transmission des interférences électromagnétiques générées à l'intérieur de l'équipement vers le fil. Le transformateur de réseau T-component + K-component a une capacité d'atténuation EMI encore améliorée par rapport au transformateur de réseau T-component.

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

Le diagramme schématique du transformateur de réseau transmettant le signal de tension de données et l'EMI est illustré à la figure 2. Sur 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 respectivement les directions du courant du signal de tension de données et du signal EMI dans le transformateur réseau.

Comme le montre la figure, lorsque les EMI traversent les bobines supérieure et inférieure de l'autotransformateur, leurs directions sont opposées et les changements de flux magnétique provoqués par eux à l'intérieur de l'anneau magnétique de la partie A s'annulent, de sorte que la réactance inductive présentée par la partie A est proche de zéro, et les EMI sont déchargés vers la terre à travers le circuit série R-C, réduisant ainsi l'amplitude des EMI. 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 traverse les bobines supérieure et inférieure de l'autotransformateur, sa direction est la même et les changements de flux magnétique provoqués par eux à l'intérieur de l'anneau magnétique de la partie A se superposent, de sorte que la réactance inductive présentée par la partie A est très grande.
L'EMI est triple - traité par la partie A (autotransformateur), la partie K (starter) et la partie T de la bobine secondaire, ce qui réduit considérablement l'amplitude de l'EMI, et la capacité d'atténuation du transformateur de réseau en EMI est grandement 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 de transformateurs de réseau séparés et modules de transformateur de réseau intégrés

2. Classification par type de colis :
Montage en surface CMS
Perforation enfichable DIP

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

4. Classement par nombre de ports :
Port unique
Deux ports
Quatre ports

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

6. Classification basée sur la capacité d'alimentation POE :
Non-PoE
(Conforme à la norme IEEE802.3ab)
PoE
(capacité d'alimentation de 15 W,
Conforme à la norme IEEE802.3af)
PoE+
(capacité d'alimentation de 30 W et plus,
Conforme à la norme IEEE802.3at)
4PPoE
(capacité d'alimentation de 90 W,
Conforme à la norme IEEE802.3bt)

4. Conception et sélection des transformateurs de réseau
Les puces PHY sont divisées en tension - type PHY et courant - type PHY en fonction du type de pilote d'interface. Dans le processus de mise en réseau réel, l'appareil 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 n'a besoin que de se référer aux stratégies de couplage AC à différents niveaux, c'est-à-dire de s'occuper simplement de leur propre correspondance locale. Lorsque les deux côtés sont en tension - type PHY, puisque l'interface de tension - type PHY est standard, il n'y a aucun problème d'interconnexion via le transformateur, et la prise centrale du transformateur peut être directement mise à la terre via un condensateur ; lorsque les deux côtés sont de type PHY de courant, puisque le pilote d'interface de type PHY de courant nécessite une injection de courant, la prise centrale du transformateur doit être connectée à l'alimentation et la tension de pull-up dépend de la tension de mode commun requise par la puce PHY elle-même ; lorsque la tension-type PHY et le courant-type PHY sont connectés, l'alimentation électrique pull-up des prises 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 de tension continue.

Les inductances de mode commun sont divisées en deux types : mode commun à deux fils et mode commun à trois fils. Ils peuvent être placés du côté PHY, du côté câble ou des deux côtés. Plusieurs méthodes de placement sont présentées dans la figure 1.

Placer l'inductance de mode commun du côté du câble peut mieux filtrer les interférences causées par le déséquilibre du transformateur, ce qui constitue un avantage par rapport à son placement du côté PHY. Cependant, dans le scénario d'alimentation POE, l'inductance de mode commun du côté PHY n'a pas besoin de supporter le courant POE et n'est pas facile à saturer, sa taille peut donc être réduite, ce qui est plus avantageux en termes de configuration, et ses performances EMC sont également meilleures. Étant donné que le type PHY de courant nécessite une alimentation externe pour fournir du courant, lorsqu'il est utilisé avec une inductance de mode commun à deux fils, lorsque la sortie est faible, le courant traverse le transformateur principal et la moitié supérieure de l'inductance 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'inductance de mode commun pour former une boucle. Lorsque le courant traverse une seule bobine, le champ magnétique généré ne peut pas être compensé et l'inductance de mode commun présente une impédance élevée, ce qui affecte la qualité du signal normal. Lors de l'utilisation d'un mode commun à trois fils, quel que soit le courant de sortie, le courant circulera à travers les deux bobines dans des directions opposées et les champs magnétiques s'annuleront, ce qui n'aura aucun effet sur le signal.

Si les exigences relatives aux indicateurs CEM pertinents sont élevées, la structure illustrée à la figure 1 (c) sera adoptée et des inductances de mode commun seront disposées à la fois du côté PHY et du côté câble. Afin de s'adapter au type PHY actuel, l'inductance de mode commun du côté PHY peut être remplacée par un mode commun à trois fils. En résumé, dans les scénarios où l'alimentation POE n'est pas requise, la compatibilité et les avantages de l'inductance de mode commun à deux fils et de la solution de placement côté câble sont plus élevés, mais dans le scénario POE, le mode commun à trois fils et la solution de placement côté PHY peuvent être donnés en priorité.

Sur la base de l'analyse ci-dessus, le tableau suivant est compilé à titre de 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 d'Ethernet. Notre conception de PCB est essentiellement présentée et câblée selon ce schéma fonctionnel. Ci-dessous, nous utiliserons ce schéma fonctionnel pour expliquer la disposition et les points de câblage liés à Ethernet.

Disposition du PCB et schéma de câblage. Ce qui suit utilise la figure 2 pour présenter les points clés auxquels il faut prêter attention lors de la disposition et du câblage du circuit Ethernet.

2. Transformateur - Conception RJ45 séparée

3. Exigences de disposition des PCB
1) Lorsque le transformateur et l'interface RJ45 sont séparés, comme indiqué sur 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 que possible de l'interface RJ45, comme indiqué dans la figure ci-dessous.



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


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

4. Exigences de câblage des PCB
1) Émission+, Émission- et RX+, RX- doit être placé sur la surface autant que possible. L'espacement entre les deux paires différentielles doit être d'au moins 4w et la contrainte de longueur égale au sein de la paire est de 5 mil. Il n'est pas nécessaire que les deux paires différentielles soient de même longueur, comme le montre la figure 1.

2) Étant donné que le transformateur est une source d'interférences, toutes les couches situées sous le transformateur doivent être creusées. Il suffit de creuser la sérigraphie du transformateur sans déterrer les plots, comme le montre la figure 2.

3) La partie transmission de la puce PHY au CPU (GTX_CLK\TX_EN\TX_ER\TXD[7:0]) et la partie réception (GRX_CLK\RX_DV\RX_ER\RXD[7:0]) doivent être acheminées séparément. Ne mélangez pas les réseaux de réception et de transmission. La distance entre les lignes doit atteindre 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 terre, doit être court et large. Le diamètre des vias des condensateurs de découplage doit être légèrement plus grand. Chaque condensateur doit avoir un via indépendant vers la terre, et le via de terre ne doit pas être partagé ;
5) La terminaison CA doit généralement être connectée à la puce ou au transformateur après avoir traversé une résistance. Aucune ligne STUB n'est autorisée ;
6) Pour les paires différentielles Gigabit Ethernet, la couche de signal optimale doit être sélectionnée pour le routage. Le nombre de vias ne doit pas dépasser deux, et lors du perçage de trous pour changer de couche, des vias de retour au sol doivent être ajoutés dans un rayon de 200 mil, comme le montre la figure 3.

7) Principes de traitement de l'alimentation et de la masse : La masse du châssis RJ45 et la masse numérique sont isolées par une résistance de 1 M ohm et un condensateur de découplage de 0,1 uF. L'espacement entre la masse du châssis et la masse numérique doit être supérieur à 60 mil, comme indiqué sur les figures 4 et 5.

Tous les plans d'alimentation numériques et analogiques avec des tensions d'alimentation différentes doivent être isolés, comme le montrent les figures 6 et 7.