深入剖析：网络变压器为何能充当信号传输的“清道夫”

信息时代，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缺少的部件，发挥着至关重要的作用。今天VOOHU就给大家全面介绍一下网络变压器的基本概念、如何选型、以及其设计与应用，让大家对网络变压器产品有一个更全面的了解。有不足之处欢迎讨论！

1、网络变压器概述
网络变压器是专门用于网络通信领域的电子元件。它们也是将以太网连接到终端接口的关键组件。它们负责信号传输、阻抗匹配、噪声抑制和高压隔离等多项任务。它们在通信领域发挥着不可或缺的作用，保证数据在传输过程中的稳定性和安全性。网络变压器的核心部件包括磁芯、线圈和骨架。其工作原理基于电磁感应。初级线圈接收到的信号在磁芯中产生变化的磁场，然后在次级线圈中感应出电压，完成信号传输。

当然，理论上以太网可以直接连接到终端接口，但外部电路的干扰以及传输距离的限制使得这种方案在实际应用中成为瓶颈。网络变压器的介入，以其独特的绕线结构-差模电感和共模电感的组合，有效抑制共模和差模信号的干扰，实现信号滤波和增强，从而显着提高信号传输距离。此外，网络变压器的应用还在以太网与外部电路之间构建了有效的隔离屏障，大大增强了系统的抗干扰能力。即使面对不同的电压连接，也能保证以太网本身的稳定运行。同时网络变压器还为设备提供了一定程度的防雷保护。

2.网络变压器的组成及工作原理
网络变压器的三个基本部分是：T（变压器）、K（共模扼流圈）和 A（中心抽头自动变压器）。根据组合不同，网络变压器分为：单T-片网络变压器、T+K-片网络变压器、T+三-线环K-片网络变压器、T+K+A-片网络变压器。

1.单T-件网络变压器
如下图所示。它是单个T-piece网络变压器及其防止EMI传输到PHY芯片和数据信号传输的能力的示意图。

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。它们在次级上、下线圈中产生的电流大小相等、方向相反，相互抵消。磁环中两个电流引起的磁通变化相互抵消。磁通变化为零，意味着次级上下线圈呈现的感抗为零，可用两条短路线代替。 EMI 通过两条短路线传播。中间抽头和R-C串联电路将EMI泄放至地线，从而降低EMI的幅值。
同样的道理，内部电路产生的EMI会通过初级线圈的中间抽头和C2泄放至地线，这样可以降低器件内部EMI通过导线发射到空气中的幅度。
蓝色信号是数据电压信号。次级上下线圈中产生的电流大小和方向相等，T件次级线圈内部产生的磁通变化相互叠加，呈现出高感抗。
可见，中间抽头的网络变压器具有阻断其初级和次级线圈之间EMI相互传播的功能。

2、T-件+K-件网络变压器
T-piece+K-piece网络变压器原理图及信号传输示意图如下图所示。


图1所示为由T和K（扼流圈）组成的网络变压器的示意图。网络变压器中添加K是因为它对有用数据电压（差分）信号没有衰减作用，但可以衰减EMI。添加 K 可以进一步阻止 EMI 在初级线圈和次级线圈之间传播。

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K和T初级线圈中EMI和数据电压信号的电流方向。分析可知，当数据电压信号从Pin4和Pin6流经K上下线圈时，电流大小相等，方向相反。它们在K磁环内部引起的磁通量变化相互抵消。磁通量变化为零，意味着K上下线圈呈现的感抗为零。也就是说，在不考虑K内阻的影响的情况下，K对数据电压信号没有衰减能力。

如上图中橙色箭头所示，当EMI流过K-分量的上下线圈时，产生的电流大小和方向相等。它们在K-组件的磁环内部引起的磁通量的变化是相互叠加的。 K-分量所呈现的感抗ZL将根据以下公式随着频率的增加而线性增加。 L 是 K- 分量的电感。
ZL=2πfL

K-组件串联在EMI环路中。 EMI在到达T-分量次级线圈之前，相当一部分会落在K-分量两端，因此扼流圈起到阻挡EMI的作用。 K-分量对EMI的高频分量有较好的阻挡作用，因为频率越高，K-分量两端的EMI下降越大。同样的道理，K-组件也可以阻挡设备内部产生的EMI传输到电线上。 T-Component + K-Component网络变压器相比T-Component网络变压器具有进一步提高的EMI衰减能力。

3、T+K+A网络变压器 下图1是由T、K、A（自耦变压器）组成的T+K+A网络变压器的示意图。图中新增加的A的电感量比较大，通常为1.5~2.0mH。之所以在网络变压器中添加A，是因为添加的具有较大电感的A不会使有用数据电压信号明显衰减，反而可以进一步阻断EMI在变压器原副边之间的传播。

网络变压器传输数据电压信号和EMI的示意图如图2所示。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网络变压器中数据电压信号和EMI信号的电流方向。

从图中可以看出，当EMI经过自耦变压器的上下线圈时，它们的方向相反，它们在A部分磁环内部引起的磁通量变化相互抵消，因此A部分呈现的感抗接近于零，EMI通过R-C串联电路向地泄放，从而降低了EMI的幅值。 A部分的放电效果与T部分的次级线圈类似。当数据电压信号通过自耦变压器的上下线圈时，其方向相同，它们在A部分磁环内部引起的磁通量变化相互叠加，因此A部分呈现的感抗很大。
EMI经过A部分（自耦变压器）、K部分（扼流圈）和T部分次级线圈三重处理，大大降低了EMI的幅值，网络变压器对EMI的衰减能力大大提高。

3、网络变压器的分类
网络变压器主要根据以下核心参数进行分类：结构类型、封装类型、传输速率、端口数量、应用环境、POE供电能力

1、按结构类型分类：
独立网络变压器和集成网络变压器模块的 RJ45 连接器

2、按封装类型分类：
SMD表面贴装
DIP插件-冲孔

3、按传输速率分类：
10/100 基地-TX
千兆基站-TX
2.5G基站-T
5G基站-T
10G 基站-T

4、按端口数量分类：
单端口
双端口
四端口

5、根据客户应用环境的工作温度分类：
消费类电子产品（消费类工作温度：0~70°C）
工业设备（工业操作温度：-40~+85°C）
汽车（汽车工作温度：-40~+125°C）
军事和航空航天（Mili-Aero工作温度：-55~+155°C）

6、根据POE供电能力分类：
非-PoE
（符合IEEE802.3ab标准）
以太网供电
（15W电源容量，
符合IEEE802.3af标准）
以太网供电+
（30W及以上电源容量，
符合IEEE802.3at标准）
4PPoE
（90W电源容量，
符合IEEE802.3bt标准）

4、网络变压器的设计与选型
PHY芯片根据接口驱动类型分为电压型PHY和电流型PHY。在实际组网过程中，本端设备无法预测对方设备的类型和级别要求，但由于变压器的存在，不同类型PHY芯片的互连只需要参考不同级别AC耦合的策略，即只需要照顾好自己的本地匹配即可。当两侧都是电压型PHY时，由于电压型PHY的接口是标准的，通过变压器互连没有问题，变压器中心抽头可以通过电容直接接地；当两侧都是current-type PHY时，由于current-type PHY的接口驱动需要电流注入，所以变压器的中心抽头需要连接电源，上拉电压取决于PHY芯片本身所需的共模电压；当电压型PHY和电流型PHY连接时，两侧抽头的上拉电源可以根据各自PHY芯片的要求，即使不同也没有关系，因为变压器不能传输直流电压。

共模电感分为两线共模和三线共模两种。它们可以放置在 PHY 侧、电缆侧或两侧。几种放置方法如图1所示。

将共模电感放置在电缆侧，可以更好地滤除变压器不平衡带来的干扰，这相对于放置在PHY侧来说是有优势的。但在POE供电场景下，PHY侧的共模电感不需要承受POE电流，不易饱和，因此其尺寸可以做得更小，更有利于布局，而且其EMC性能也更好。由于电流型PHY需要外部电源提供电流，当与两线共模电感一起使用时，当输出低时，电流通过主变压器和共模电感的上半部分形成回路，当输出高时则相反。当输出为0时，电流通过共模电感的两个线圈，形成回路。当电流仅流过一个线圈时，产生的磁场无法抵消，共模电感呈现高阻抗，影响正常信号的信号质量。使用三-线共模时，无论输出什么电流，电流都会以相反方向流过两个线圈，磁场会相互抵消，对信号没有影响。

如果相关EMC指标要求较高，则采用图1(c)所示的结构，在PHY侧和Cable侧均布置共模电感。为了适应当前类型的PHY，可以将PHY侧的共模电感改为三线共模。综上所述，在不需要POE供电的场景下，两线共模电感和线缆侧放置方案的兼容性和效益更高，但在POE场景下，可以优先考虑三线共模和PHY侧放置方案。

根据以上分析，整理下表，供选择以太网变压器时参考：


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5.网络变压器设计与应用
1、独立网络变压器应用：
下图1是以太网的典型应用。我们的PCB设计基本上就是根据这个框图来布局和接线的。下面我们将通过这个框图来解释与以太网相关的布局和接线点。

PCB 布局和接线图。下面通过图2来介绍以太网电路布局和布线中需要注意的要点。

2. 变压器-分离式RJ45设计

3、PCB布局要求
1）当变压器与RJ45接口分离时，如图所示，应尽量缩短RJ45接口与变压器的距离（同时满足工艺要求）



2）以太网转换芯片PHY与变压器之间的距离也应尽可能短，一般不超过5英寸。如果RJ45接口自带变压器，则以太网转换芯片应尽量靠近RJ45接口放置，如下图所示。



3）如下图所示，AC终端电阻的放置一般按照芯片手册建议。有些芯片需要放置在以太网转换器端。如果没有特殊要求，可以靠近以太网转换芯片放置。


4) 复位电路信号应尽可能靠近以太网转换芯片，如有可能应远离TX+/-、RX+/-差分信号和时钟信号；
5）时钟电路应尽可能靠近以太网转换芯片，远离电路板边缘等高频信号、IO口走线等磁性元件；
根据上述布局要求，总体布局图可总结如下图所示

4、PCB布线要求
1) TX+, TX-和 RX+、RX-应尽可能放置在表面。两个差分对之间的间距应至少为 4w，并且差分对内的等长约束为 5mil。两个差分对的长度不需要相等，如图1所示

2）考虑到变压器是干扰源，变压器下面的所有层都需要挖空。只需要将变压器的丝印挖空即可，无需挖出焊盘，如图2所示。

3）从PHY芯片到CPU的发送部分（GTX_CLK\TX_EN\TX_ER\TXD[7:0]）和接收部分（GRX_CLK\RX_DV\RX_ER\RXD[7:0]）应分开走线。不要混合接收和发送网络。线间距离应满足3W。 RX和TX应等长，在100m以内，阻抗控制在50欧姆。
4）电源信号的走线，包括去耦电容、电源线、地线的走线，应保持短而宽。去耦电容上的过孔直径应稍大一些。每个电容应有独立的过孔接地，且接地过孔不应共用；
5）交流端接一般需要经过一个电阻后连接到芯片或变压器上。不允许使用 STUB 线路；
6) 对于千兆以太网的差分对，应选择最优的信号层进行路由。过孔数量不要超过2个，打孔换层时，200m以内应增加回地过孔，如图3所示。

7）电源和地处理原则：RJ45机箱地和数字地通过1M欧电阻和0.1uF去耦电容隔离。机箱地与数字地之间的间距必须宽于60mil，如图4和图5所示。

所有具有不同电源电压的数字和模拟电源层都应隔离，如图 6 和图 7 所示。