詳細な分析: ネットワークトランスが信号伝送の「スカベンジャー」として機能する理由

情報化時代において、ネットワーク通信技術は日々変化しており、高速かつ安定したデータ伝送が企業の発展における重要な要素となっている。ネットワークトランスは通信機器に欠かせない部品として重要な役割を果たしています。本日、VOOHU では、誰もがネットワーク トランス製品をより包括的に理解できるように、ネットワーク トランスの基本概念、選び方、設計と応用について包括的に紹介します。欠陥についてのご相談を歓迎します。

1. ネットワークトランスの概要
ネットワークトランスは、ネットワーク通信の分野で特に使用される電子部品です。これらは、イーサネットを端末インターフェイスに接続するための重要なコンポーネントでもあります。これらは、信号伝送、インピーダンス整合、ノイズ抑制、高電圧絶縁などの複数の使命を担っています。これらは、通信分野において、送信中のデータの安定性とセキュリティを確保するために不可欠な役割を果たします。ネットワークトランスのコアコンポーネントには、磁気コア、コイル、スケルトンが含まれます。その動作原理は電磁誘導に基づいています。一次コイルが受信した信号は磁気コア内に変化する磁場を生成し、二次コイルに電圧を誘導して信号の送信を完了します。

もちろん、理論上はイーサネットを端末インターフェイスに直接接続できますが、外部回路の干渉と伝送距離の制限により、このソリューションは実際のアプリケーションではボトルネックになります。ディファレンシャルモードインダクタとコモンモードインダクタを組み合わせた独自の巻線構造を備えたネットワークトランスの介在により、コモンモード信号とディファレンシャルモード信号の干渉が効果的に抑制され、信号のフィルタリングと強化が実現され、信号伝送距離が大幅に向上します。さらに、ネットワーク変圧器の適用により、イーサネットと外部回路の間に効果的な絶縁バリアが構築され、システムの耐干渉能力が大幅に強化されます。異電圧接続時でもイーサネット自体の安定した動作を確保します。同時に、ネットワーク変圧器は機器にある程度の雷保護も提供します。

2. ネットワーク変圧器のコンポーネントと動作原理
ネットワーク トランスの 3 つの基本部分は、T (トランス)、K (コモン モード チョーク)、および A (センター タップ オート-トランス) です。さまざまな組み合わせに応じて、ネットワーク変圧器は、単一 T- 個のネットワーク変圧器、T + K- 個のネットワーク変圧器、T + 3 線ループ K- 個のネットワーク変圧器、および T + K + A- 個のネットワーク変圧器に分類されます。

1. シングル T-ピース ネットワークトランス
以下の図に示すように。単一のTピースネットワークトランスと、EMIがPHYチップおよびデータ信号送信に送信されるのを防ぐその機能の概略図です。

Pin4 と Pin6 の EMI 干渉ライン番号 (オレンジ色の信号) は、大きさが等しく、方向が逆で、波形がまったく同じです。二次側の上部コイルと下部コイルに発生する電流は大きさが等しく、方向が逆であり、互いに打ち消し合います。磁気リング内の 2 つの電流によって引き起こされる磁束の変化は互いに打ち消し合います。磁束変化はゼロであり、これは二次側の上部コイルと下部コイルによってもたらされる誘導リアクタンスがゼロであり、それらを2本の短絡線で置き換えることができることを意味する。 ＥＭＩは２本の短絡線を通過する。中間タップとR-C直列回路はEMIをアース線に放出し、EMIの振幅を低減します。
同様の理由で、内部回路からのEMIは1次コイルの中タップとC2を経由してアース線に放出され、線路を通じて空気中に放出される機器内部のEMIの振幅を低減できます。
青色の信号はデータ電圧信号です。 2次側の上下コイルに生じる電流は大きさと方向が等しく、Tピースの2次コイル内部に生じる磁束変化が重なり合い、高い誘導リアクタンスを示します。
中間タップを備えたネットワークトランスには、1次コイルと2次コイル間のEMIの相互伝播を遮断する機能があることがわかります。

2. T-個 + K-個のネットワークトランス
T個+K個のネットワークトランスの模式図と信号伝送の模式図を下図に示します。


図 1 に、T と K (チョーク) で構成されるネットワークトランスの概略図を示します。 K は、有用なデータ電圧 (差動) 信号に減衰効果を及ぼさないため、ネットワーク トランスに追加されますが、EMI を減衰させる可能性があります。 K を追加すると、EMI が一次コイルと二次コイルの間で伝播するのをさらにブロックできます。

上図の右側に示すように、オレンジ色の信号は EMI、青色の信号は電圧差動信号です。オレンジと青の矢印は、それぞれ K と T の 1 次コイル内の EMI とデータ電圧信号の電流方向を表します。分析の結果、データ電圧信号がピン 4 とピン 6 から K の上部コイルと下部コイルを通って流れるとき、電流の大きさは等しく、方向は逆であることがわかります。 Kの磁気リング内でそれらによって引き起こされる磁束変化は互いに打ち消し合います。磁束変化はゼロです。これは、K の上部コイルと下部コイルによってもたらされる誘導リアクタンスがゼロであることを意味します。つまり、Kの内部抵抗の影響を考慮しないと、Kはデータ電圧信号に対する減衰能力を持たないことになります。

上図のオレンジ色の矢印で示されているように、EMI が K- コンポーネントの上部コイルと下部コイルを流れると、発生する電流は大きさと方向が同じになります。 K-成分の磁気リングの内側でそれらによって引き起こされる磁束の変化は互いに重ね合わされます。 K 成分によって表される誘導リアクタンス ZL は、次の式に従って周波数の増加に伴って直線的に増加します。 L は K- 成分のインダクタンスです。
ZL=2πfL

K- コンポーネントは EMI ループ内で直列に接続されています。 EMI は T- コンポーネントの 2 次コイルに到達する前に、かなりの部分が K- コンポーネントの両端に落ちるため、チョークは EMI をブロックする役割を果たします。 K- コンポーネントは、周波数が高くなるほど K- コンポーネントの両端で低下する EMI が大きくなるため、EMI の高周波成分に対して優れたブロック効果を持っています。同様に、K- コンポーネントは、機器内部で発生する EMI が配線に伝達されるのをブロックすることもできます。 T-component + K-component ネットワーク トランスは、T-component ネットワーク トランスと比較して、EMI 減衰能力がさらに向上しています。

3. T+K+A ネットワーク変圧器 下の図 1 は、T、K、A (単巻変圧器) で構成される T+K+A ネットワーク変圧器の概略図です。図で新たに追加した A のインダクタンスは比較的大きく、通常 1.5 ～ 2.0mH です。ネットワークトランスに A を追加する理由は、大きなインダクタンスを持つ追加された A が有用なデータ電圧信号を大幅に減衰させることはありませんが、トランスの一次側と二次側の間の EMI の伝播をさらにブロックする可能性があるためです。

データ電圧信号とEMIを送信するネットワークトランスの概略図を図2に示します。図では、青色の信号がデータ電圧信号、オレンジ色の信号がEMIです。オレンジ色の矢印と青色の矢印は、それぞれネットワークトランス内のデータ電圧信号とEMI信号の電流の方向です。

図からわかるように、単巻変圧器の上下のコイルにEMIが通過する際、その方向が逆となり、A部の磁気リング内でEMIによる磁束の変化が打ち消し合うため、A部の誘導リアクタンスがゼロに近くなり、EMIはR-C直列回路を通じてグランドに放電され、EMIの振幅が低減されます。 A 部品の放電効果は、T 部品の 2 次コイルの放電効果と同様です。データ電圧信号が単巻変圧器の上下のコイルを通過するとき、その方向は同じであり、部品 A の磁気リング内でそれらによって引き起こされる磁束の変化が互いに重畳されるため、部品 A が示す誘導リアクタンスは非常に大きくなります。
EMIはパートA（オートトランス）、パートK（チョーク）、パートTの2次コイルによって三重処理され、EMIの振幅が大幅に減少し、EMIに対するネットワークトランスの減衰能力が大幅に向上します。

3. ネットワークトランスの分類
ネットワーク変圧器は主に、構造タイプ、パッケージタイプ、伝送速度、ポート数、アプリケーション環境、POE 電源容量などのコアパラメータに基づいて分類されます。

1. 構造タイプに基づく分類:
個別のネットワーク トランスフォーマーと統合ネットワーク トランスフォーマー モジュールの RJ45 コネクタ

2. パッケージの種類による分類:
SMD表面実装
DIPプラグ-ミシン目

3. 伝送速度による分類:
10/100 ベース-TX
ギガビットベース-TX
2.5G ベース-T
5G ベース-T
10G ベース-T

4. ポート数による分類:
単一ポート
デュアルポート
クアッドポート

5. お客様のアプリケーション環境の動作温度に基づく分類:
家庭用電化製品 (家庭用動作温度: 0 ～ 70°C)
産業用機器 (産業使用温度: -40~+85°C)
車載用 (車載動作温度: -40~+125°C)
軍事および航空宇宙 (ミリ-航空動作温度: -55~+155°C)

6. POE 電源容量に基づく分類:
非-PoE
(IEEE802.3ab規格に準拠)
PoE
(電源容量15W、
IEEE802.3af規格に準拠）
PoE+
(電源容量30W以上、
IEEE802.3at規格に準拠）
4PPoE
(電源容量90W、
IEEE802.3bt規格に準拠）

4. ネットワークトランスの設計と選択
ＰＨＹチップは、インターフェースドライバのタイプに応じて、電圧型ＰＨＹと電流型ＰＨＹに分けられる。実際のネットワーキング プロセスでは、ローカル デバイスは他のデバイスのタイプとレベルの要件を予測できませんが、トランスの存在により、異なるタイプの PHY チップの相互接続は、異なるレベルの AC 結合の戦略を参照するだけで済みます。つまり、独自のローカル マッチングを行うだけです。両側が電圧型ＰＨＹの場合、電圧型ＰＨＹのインターフェースは標準であるため、トランスを介して相互接続しても問題はなく、トランスのセンタータップはコンデンサを介して直接接地することができる。両側が電流型PHYの場合、電流型PHYのインターフェースドライバは電流注入を必要とするため、トランスのセンタータップを電源に接続する必要があり、プルアップ電圧はPHYチップ自体に必要なコモンモード電圧に依存します。電圧型PHYと電流型PHYが接続されている場合、両側のタップのプルアップ電源はそれぞれのPHYチップの要件に基づくことができ、それらが異なっていても問題ありません。なぜなら、トランスはDC電圧を伝送できないからです。

コモンモードインダクタは、2 線コモンモードと 3 線コモンモードの 2 つのタイプに分類されます。これらは、PHY 側、ケーブル側、または両方の側に配置できます。いくつかの配置方法を図 1 に示します。

コモンモードインダクタをケーブル側に配置すると、トランスの不均衡によって引き起こされる干渉をより適切にフィルタリングできます。これは、PHY 側に配置する場合と比較して利点です。しかし、POE電源シナリオでは、PHY側のコモンモードインダクタはPOE電流に耐える必要がなく、飽和しにくいため、サイズを小さくすることができ、レイアウト上より有利であり、EMC性能も優れています。電流型PHYは電流を供給するために外部電源を必要とするため、2線コモンモードインダクタと一緒に使用する場合、出力が低い場合、電流はメイントランスとコモンモードインダクタの上半分を通過してループを形成し、出力が高い場合はその逆になります。出力が０のとき、コモンモードインダクタの２つのコイルに電流が流れ、ループを形成する。電流が1つのコイルのみに流れる場合、発生する磁場を相殺することができず、コモンモードインダクタは高いインピーダンスを示し、通常の信号の信号品質に影響を与えます。 3 線コモンモードを使用する場合、どのような電流が出力されても、電流は 2 つのコイルを逆方向​​に流れ、磁界は互いに打ち消し合うため、信号には影響しません。

関連するEMCインジケータに対する要件が高い場合、図1(c)に示す構造が採用され、PHY側とケーブル側の両方にコモンモードインダクタが配置されることになる。現行のＰＨＹに適応するために、ＰＨＹ側のコモンモードインダクタを３線コモンモードに変更することができる。要約すると、POE 電源が必要ないシナリオでは、2 線コモンモード インダクタとケーブル側配置ソリューションの互換性と利点がより高くなりますが、POE シナリオでは、3 線コモンモードと PHY 側配置ソリューションが優先される可能性があります。

上記の分析に基づいて、イーサネット トランスを選択する際の参考として次の表がまとめられています。


VOOHU はお客様の包括的な選択ニーズを提供できます。



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3. お客様のニーズを当社の営業およびカスタマーサービススタッフに送信してください。お客様が選択できる従来の材料を推奨します。カスタマーサービスホットライン: 400-1048-018

5. ネットワークトランスの設計と応用
1. 個別のネットワークトランスアプリケーション:
以下の図 1 は、イーサネットの典型的なアプリケーションです。当社の PCB 設計は、基本的にこのブロック図に従ってレイアウトおよび配線されます。以下、このブロック図を用いて、イーサネットに関する配置と配線のポイントを説明します。

PCB レイアウトと配線図。 Ethernet回線の配置・配線で注意すべきポイントを図2を用いて紹介します。

2. トランス - 分離型 RJ45 設計

3. PCB レイアウト要件
1) 図に示すように、トランスと RJ45 インターフェースが分離されている場合、(プロセス要件を満たしながら) RJ45 インターフェースとトランスの間の距離を可能な限り短くする必要があります。



2) イーサネット変換チップ PHY と変圧器の間の距離もできるだけ短くする必要があり、通常は 5 インチを超えてはなりません。 RJ45 インターフェイスに変圧器が付属している場合は、次の図に示すように、イーサネット変換チップを RJ45 インターフェイスのできるだけ近くに配置する必要があります。



3) 以下の図に示すように、AC 終端抵抗の配置は通常、チップのマニュアルの推奨事項に基づいています。一部のチップはイーサネットコンバータ側に配置する必要があります。特別な要件がない場合は、イーサネット変換チップの近くに配置してください。


4) リセット回路の信号はイーサネット変換チップにできるだけ近く、可能であれば TX+/-、RX+/- から離す必要があります。差動信号とクロック信号。
5) クロック回路は、回路基板の端やその他の高周波信号、IO ポートのルーティング、その他の磁気コンポーネントから離れて、できるだけイーサネット変換チップの近くに配置する必要があります。
上記のレイアウト要件に従って、全体のレイアウト図は次の図のように要約できます。

4. PCB 配線要件
1) TX+、TX-および RX+、RX-できるだけ表面に置く必要があります。 2 つの差動ペア間の間隔は少なくとも 4w である必要があり、ペア内の等長制約は 5mil です。図 1 に示すように、2 つの差動ペアの長さは同じである必要はありません。

2) 変圧器が干渉源であることを考慮すると、変圧器の下のすべての層を空洞にする必要があります。図 2 に示すように、パッドを掘り出さずにトランスのシルク スクリーンをくり抜くだけで済みます。

3) PHY チップから CPU への送信部分 (GTX_CLK\TX_EN\TX_ER\TXD[7:0]) と受信部分 (GRX_CLK\RX_DV\RX_ER\RXD[7:0]) は別々に配線する必要があります。受信ネットワークと送信ネットワークを混在させないでください。線間の距離は 3W を満たす必要があります。 RX と TX は 100mil 以内の同じ長さである必要があり、インピーダンスは 50 オームに制御される必要があります。
4) 電源信号の配線は、デカップリングコンデンサ、電源線、グランド線などを含め、短く、幅広に配線してください。デカップリング コンデンサのビアの直径は少し大きくする必要があります。各コンデンサにはグランドへの独立したビアが必要であり、グランド ビアは共有すべきではありません。
5) AC 終端は通常、抵抗を通過した後、チップまたは変圧器に接続する必要があります。 STUB 行は許可されません。
6) ギガビット イーサネットの差動ペアの場合、ルーティングに最適な信号層を選択する必要があります。ビアの数は 2 つを超えてはならず、層を変更するために穴を開ける場合は、図 3 に示すように、リターン グランド ビアを 200mil 以内に追加する必要があります。

7) 電源およびグランド処理の原理: RJ45 シャーシ グランドとデジタル グランドは、1M オームの抵抗と 0.1uF のデカップリング コンデンサによって絶縁されています。図 4 と図 5 に示すように、シャーシ グランドとデジタル グランド間の間隔は 60mil より広くなければなりません。

図 6 と図 7 に示すように、電源電圧が異なるすべてのデジタルおよびアナログの電源プレーンを絶縁する必要があります。