よくある質問イーサネット変圧器へのコモンモードチョークの配置: 非 PoE および PoE シナリオの詳細な説明 – VOOHU

イーサネット ハードウェア回路設計において、Lan トランスは信号伝送を確保し、電気的絶縁を提供するコア コンポーネントです。絶縁トランスとコモンモードチョーク (CMC) は、イーサネットトランスの 2 つの主要なサポートコンポーネントとして、機器の信号の完全性と EMC 耐性を直接決定します。

VOOHU Electronics (蘇州) は、LAN トランスやコモンモード チョークなどのイーサネット サポート コンポーネントの研究開発とソリューションの適応に長年深く関わってきました。多数のエンジニアリング実装事例に基づいて、ほとんどの研究開発エンジニアが同じ設計課題に直面していることがわかりました。それは、コモンモード チョークを LAN トランスの PHY チップに近い側に配置すべきか、それとも RJ45 コネクタ (ケーブル側) に近い側に配置すべきかということです。

VOOHU の技術チームが測定したデータと業界標準の設計ガイドラインによると、CMC の配置に対する普遍的な答えはありません。コアは、PHY ドライバーのタイプ (電流モードまたは電圧モード)、およびデバイスが Power over Ethernet (PoE) をサポートするかどうかという 2 つの主要な要素によって決まります。以下では、VOOHU が各シナリオの設計ロジック、動作原理、選択/レイアウト ガイドラインを説明し、エンジニアが回路設計の隠れた落とし穴を回避できるようにします。

コモンモードチョーク (CMC) の中心的な動作原理

CMC レイアウト ロジックを正確に理解するには、まずそのフィルタリング原理を理解する必要があります。内部的には、CMC は、同じ磁気コア内に収容され、同じ方向に同じ巻数で巻かれた 2 つのコイルで構成されています。これは、イーサネットの差動信号伝送中のコモンモードノイズを抑制するように特別に設計されており、VOOHU のイーサネットトランスサポートソリューションの中核となるフィルタリングコンポーネントです。

通常の動作下では、機器から送信される差動動作信号の場合、2 つのコイルによって生成される磁束は大きさが等しく、方向が逆であるため、互いに打ち消し合います。信号は損失や歪みなしにチョークを通過します。外部からの ESD や放射線によって引き起こされるコモンモード干渉ノイズの場合、ノイズがコイルを流れて同じ方向に加わる磁束を生成し、CMC を高インピーダンスにしてノイズの発生源を遮断し、通信の安定性に影響を与えるのを防ぎます。

CMC の基本原理に基づいて、PoE 給電を考慮した VOOHU は、ほとんどの民生用および産業用イーサネット機器に適した 2 種類のレイアウト ソリューションを分類しています。

非 PoE シナリオ: PHY ドライバー タイプによって決定される CMC 位置

データ通信のみが必要な (48 V 電力供給なし) 非 PoE シナリオでは、業界では通常、絶縁トランスと CMC を統合した個別の Lan トランス モジュールを外部 RJ45 ジャックとともに使用して、ネットワーク接続を完了します。このシナリオでは、高電圧 DC バイアスがないため、コアの飽和は問題になりません。唯一の決定要因は、PHY ドライバーのアーキテクチャです。 VOOHU は、これに基づいて差別化されたレイアウトの推奨事項を提供します。

Current‑Mode PHY: ケーブル側 (RJ45 側) への配置が必須

電流モード PHY のトランスミッタは定電流源と同等です。その動作原理は、外部負荷を利用して定電流信号を電圧信号に変換します。定電流源の完全な DC バイアス パスを確立するには、そのセンター タップを 2.5V/3.3V の電源電圧に接続する必要があります。

このタイプの PHY は、信号リターン パスの直列インダクタンスに非常に敏感ですが、これは回路設計でよくある間違いです。

従来の 2 線式 CMC が PHY とトランスの間に配置される場合、CMC の直列インダクタンスがリターン パスの動的な電流変化を妨げ、低インピーダンスのリターン パスを破壊し、信号波形の歪みと差動振幅の不均衡を直接引き起こします。深刻な場合には、ネットワーク リンクが切断され、デバイスが接続できなくなることがあります。

したがって、電流モード PHY の場合、ハードウェア レベルからの信号異常を避けるために、2 線式コモンモード チョークをトランスの 2 次側 (RJ45 ケーブル側に近い) に配置する必要があります。

電圧モード PHY: 柔軟な配置、必要に応じて調整可能

電圧モード PHY のアーキテクチャは大きく異なります。その送信機は電圧源に相当します。センタータップは電源に直接接続する必要がありません。バイアスのために必要なのは、グランドへのコンデンサだけです。信号リターンパスの直列インダクタンスに対する耐性がはるかに高くなります。

CMC が PHY 側に配置されても RJ45 ケーブル側に配置されても、信号の完全性が損なわれたり、通信パフォーマンスに影響を与えたりすることはありません。

PCB レイアウトを簡素化し、調達および組み立てコストを削減するために、従来の非 PoE 電圧モード PHY ソリューションでは、VOOHU はデフォルトで CMC を Lan トランス内部に直接統合し、フィルタリングと絶縁のためのワンストップ ソリューションを顧客に提供します。

PoE シナリオ: コアの飽和を回避することが中心的な設計原則です

PoE シナリオは、産業用スイッチ、監視カメラ、ワイヤレス AP などで一般的に使用されます。これらは、データと電力を同時に送信するために 48V DC 高電圧に依存します。このシナリオでは、DC バイアスにより CMC のコア飽和のリスクが生じます。これは、PoE イーサネット変圧器の設計における大きな課題です。

VOOHU の技術チームは、PoE シナリオでは PHY ドライバーのタイプは重要ではないと強調します。すべてのチップ アーキテクチャは、CMC コアの飽和を防ぐことを中心に設計する必要があります。

最適な解決策: CMC を PHY 側に配置する

TVS ダイオードは、バス コネクタまたはトランシーバー ピンのできるだけ近くに、短く幅広の配線で配置する必要があります。 A ラインと B ラインの間に 1 つの TVS を接続し (差動モード保護)、さらに各ラインからグランドに 1 つの TVS を接続すること (コモンモード保護) を推奨します。

制約のあるレイアウト: ケーブル側の配置の条件と欠点

PCB サイズまたは機械的レイアウトの制約により、CMC を RJ45 ケーブル側に配置する必要がある場合は、従来の 2 線式コモンモード チョークを決して使用してはなりません。代わりに、センター タップ付きのカスタマイズされた 3 線式専用 CMC (VOOHU 製など) を使用する必要があります。これにより、48V DC 電流がセンター タップを介してトランスに直接流れ、CMC 巻線をバイパスできるようになり、コアの飽和が回避され、EMI フィルタリングの障害が防止されます。

特記事項: 3 線式 CMC は、通常の 2 線式製品よりも製造プロセスが複雑で、材料コストが高く、配線がより困難です。これらは特別な制約のあるシナリオにのみ適しており、PoE デバイスの一般的なソリューションとしては推奨されません。量産 PoE 製品の場合、VOOHU は、研究開発と生産のリスクを軽減するために、統合された内部構造 (CMC と変圧器が 1 つのコンポーネントに統合) を備えた PoE MagJack の使用を強く推奨します。

選択とレイアウトの推奨事項

非 PoE シナリオ
電流モード PHY: RJ45 ケーブル側に固定された 2 線式 CMC。電圧モード PHY: 必須の CMC 配置はありません。 PCB設計を簡素化するには、CMCを内蔵した統合型LANトランスを推奨します。

PoE シナリオ:
電流モード PHY: RJ45 ケーブル側に固定された 2 線式 CMC。電圧モード PHY: 必須の CMC 配置はありません。 PCB設計を簡素化するには、CMCを内蔵した統合型LANトランスを推奨します。

一般的な注意:
PoE シナリオでは、通常の 2 線式 CMC を RJ45 側に直接配置しないでください。これを行うと、コアの飽和、過剰な EMI 放射、パケット損失、その他の障害が容易に発生し、後のデバッグ コストが増加します。

VOOHU (蘇州) は、さまざまな PHY チップ仕様と PoE 電力レベルに合わせて、カスタマイズされた Lan トランスとコモンモード チョークの選択とレイアウトのサポートを提供し、企業が開発サイクルを短縮し、通信の安定性と電磁両立性を向上できるように支援します。