网络变压器介绍及工作原理

网络变压器介绍及工作原理网络变压器的介绍为什么要接网络变压器网络变压器的作用电气隔离信号耦合阻抗匹配共模抑制PHY芯片分类10M100M1000M以太网使用电流型PHY还是电压型PHY10M以太网 (10BASE-T)100M以太网 (100BASE-TX)1000M以太网 (1000BASE-T)10G以太网 (10GBASE-T)为什么电流型成为了高速以太网的基石网络变压器分类电流驱动方式电流型和电压驱动方式电压型区别电流驱动方式电压驱动方式电流型PHY和电压型PHY经过变压器后能对接吗网络变压器的内部组成共模扼流圈CMCCommon mode Choke即共模电感扼流圈工作原理及插入损耗特性或称阻抗特性自耦合变压器(Center Tapped Auto-Transformer)千兆以太网1000BASE-T和万兆以太网10GBASE-T的网络变压器是否通用分离式网口变压器网络变压器中共模电感的位置网络变压器实例PHY实例DP83848电流型PHYBCM5333包含电压型PHY88E1111电流型PHYDM9000电流型PHYBob Smith电路Bob Smith电路作用阻抗变换浪涌防护共模防护差模防护降低EMC辐射总结Bob Smith电路和POE供电的联系网络变压器的介绍网络变压器也被称作“数据汞”也可称为网络隔离变压器。它在一块网络接口上所起的作用主要有两个:传输数据它把PHY送出来的差分信号用差模耦合的线圈耦合滤波以增强信号并且通过电磁场的转换耦合到不同电平的连接网线的另外一端隔离网线连接的不同网络设备间的不同电平以防止不同电压通过网线传输损坏设备。除此而外数据汞还能对设备起到一定的防雷保护作用。它主要用在网络交换机、路由器、网卡、集线器里面起到信号耦合、高压隔离、阻抗匹配、电磁干扰抑制等作用。IEEE 802.3标准中对以太网通信系统明确了有电气隔离的要求因此在以太网物理层PHY芯片之间一般需要会通过网络变压器进行隔离。虽然网络变压器号称有电气隔离、阻抗变换、信号耦合、共模干扰抑制等功能但实际上其匝比基本为11初次级阻抗没有变化信号耦合更是系统正常运行的必要条件与其说网络变压器实现了信号耦合不如说是变压器不会阻碍信号传递所以才能放在通信系统当中抑制共模干扰倒是变压器本身的特性一般网络变压器的主变都会带有中心抽头共模干扰加到变压器上时干扰信号产生磁场相互抵消从而达到抑制共模干扰的效果。RJ45网口内置变压器实物图如下集成网络变压器的RJ45实物产品图如下为什么要接网络变压器变压器理论上不起作用但不接风险太大。网络变压器的优点如下增加传输距离。PHY芯片驱动器的功率有限当网络线长时信号到达接收端信号可能会衰减到不再工作的程度。但在添加网络变压器后通过变压器输出驱动能力显著提高允许信号进一步传输。减少接收PHY芯片时的干扰。接收器和发射机以及网络变压器相当于将PHY与网络线路隔离。网络线路暴露在室外容易受到各种干扰无绝缘PHY芯片的数字输出容易不稳定。改进PHY芯片的接收和传输终端的兼容性。如果PHY接收器使用3.3V而PHY发射机使用5V则两者之间的电平信号在没有网络变压器的情况下不兼容。网络变压器可以确保信号正常传输而不考虑接收和传输时使用的电压。网络变压器的作用电气隔离这是最主要的作用。它通过磁耦合传递能量隔断了PHY芯片和网线之间的直流电气连接。这可以防止地电势差造成的损坏并有效抑制共模干扰。没变压器的话网线就把俩设备的地线直接连上了。轻则信号乱跳、丢包断网重则直接烧网口芯片。这里多说一句电气隔离不只是防直流压差对低频地环路干扰同样有效。地环路是怎么形成的当两台设备的地线通过网线屏蔽层或者参考地连成回路而回路面积又足够大时周围环境中的磁场变化就会在这个回路里感应出电流。这个电流的频率一般不高但足以在信号线上产生压降影响接收器的判断。变压器切断了这个物理回路也就切断了地环路干扰的路径。雷击和静电也一样。高压浪涌顺着网线过来变压器就是第一道屏障。IEEE 802.3标准里明确要求以太网通信系统必须有电气隔离隔离耐压至少1500Vrms目的就一个保证在不同地电位、不同供电环境的设备之间网线能安全插拔、可靠工作。信号耦合信号耦合就是将PHY侧的有用差分信号交流成分耦合到网线侧。PHY芯片产生的信号得送到网线上网线上进来的信号得收进芯片里。这事儿靠变压器干。变压器只让交流信号过直流过不去。高速变化的网络信号正好是交流嗖一下就过去了。直流成分和低频干扰拦外边了。这叫隔直通交是变压器最基本的特性。阻抗匹配变压器通过匝数比可以帮助匹配PHY芯片的输出阻抗和网线的特性阻抗通常是100欧姆确保信号能量高效传输减少反射。芯片出来的信号幅度够但驱动能力有限直接扔网线里跑不远还容易反射回来。变压器在这中间做个匹配把芯片的输出阻抗调到网线的100欧姆标准上信号才能最大效率送出去。共模抑制变压器的中心抽头结构有助于提供共模噪声的返回路径从而抑制噪声。常见的双绞线网线像五类、超五类、六类这些不接任何中继设备的话标准传输距离是100米信号线越长就越容易产生干扰。这种干扰有个特点——它同时骑在一对差分线的两根线上方向相同这叫共模干扰。共模电感就是专门治这个的。它俩线圈绕一块磁环上共模干扰进来俩线圈产生的磁场方向相同叠一块儿变强了。电感天生就讨厌磁场变化立马来劲了——阻抗变高把这干扰给顶回去。正常的数据信号是差分信号两根线上一正一反大小相等方向相反。这种信号进共模电感俩线圈产生的磁场方向相反互相抵消了电感就当没看见信号顺利通过。所以共模电感对差模信号来说就是个很小的电阻线圈的直流电阻几乎没影响。所以本质上是因为变压器对共模信号呈现高阻抗对差模信号呈现低阻抗。PHY芯片分类电流型与电压型PHY的本质区别体现在信号驱动机制上电流型PHY (Current-mode Output)电流型PHY芯片内部等效为恒流源可输出预设恒定电流。该类型芯片需要外部提供偏置电压通常通过网络变压器中心抽头接入并借助外部终端电阻将电流信号转换为可传输的电压信号。PHY输出管脚TX/TX-/RX/RX-本质是差分交流电流源。这类PHY绝大多数主流千兆/百兆PHY均为电流型。电流型PHY适合工业交换机、现场总线、车载以太网、物联网终端等严苛场景主打强抗扰、低功耗、长距稳定。电压型PHY (Voltage-mode Output)电压型PHY芯片内部等效为电压源具备自主电压输出能力可直接输出设定电平如0V、3.3V表示逻辑信号。PHY输出管脚本质是差分电压源。现在很少见主要是一些早期/低端设计比如10M、某部分专用PHY。电压型PHY适合消费电子、普通家用网络、短距离室内设备主打低成本、易调试10M100M1000M以太网使用电流型PHY还是电压型PHY10M以太网 (10BASE-T)主导类型 电压型PHY原因10M以太网是早期标准速率较低信号完整性要求相对宽松。MANCHESTER编码10BASE-T使用的曼彻斯特编码信号本身没有直流分量非常适合通过变压器耦合。电压型驱动电路简单、成本低足以满足要求。在当时的技术条件下设计一个稳定的电压驱动输出级比设计一个精密的高速电流源更容易。10M时代是电压型PHY的天下100M以太网 (100BASE-TX)电流型PHY成为主流原因速率提升当速率提升到100M时信号频率更高电压型驱动的缺点开始暴露。电压型驱动的缺点电压输出级的输出阻抗较低在高速开关时会对信号路径上的寄生电容进行快速充放电产生很大的瞬时电流导致功耗增加。地弹和电源噪声巨大的瞬态电流会通过电源和地线的寄生电感引起电源波动产生严重的电磁干扰。电流型驱动的优势恒流源特性电流源输出阻抗高其切换速度不受寄生电容的显著影响波形更干净边沿更可控。更低的EMI电流切换相对“柔和”产生的噪声和地弹效应更小电磁兼容性更好。MLT-3编码100BASE-TX使用的MLT-3编码有直流分量电流源能更好地处理这种情况。总结 从100M开始为了应对高速开关带来的挑战电流型PHY因其优异的信号完整性和EMI性能迅速取代电压型成为主流选择。1000M以太网 (1000BASE-T)绝对主导类型 电流型PHY原因速率极高千兆网的速率达到125兆波特率使用4对线同时双向传输。对信号质量、时序和噪声的要求达到了极其苛刻的程度。PAM-5编码使用了更复杂的5级脉冲幅度调制对驱动器的线性度和精度要求非常高。回声抵消千兆网是全双工即同时在同一对线上收发信号。需要强大的回声抵消技术这要求发射端的信号非常“干净”和稳定。电流型驱动器能提供更精确、噪声更小的输出极大地方便了回声抵消算法的实现。功耗和散热千兆PHY的功耗远高于百兆。电流型架构在高效驱动和控制功耗方面具有天然优势。结论 在现代千兆以太网PHY芯片中几乎无一例外地使用电流型驱动架构。这是为了实现所需的性能、信号完整性和EMI指标而必须采取的技术选择。采用电流型输出已经是各大PHY芯片厂商如Realtek瑞昱、Intel、Marvell、Broadcom、Microchip、TI等的普遍做法。为什么电流型成为千兆网的主流卓越的信号完整性千兆速率下电压型驱动因低输出阻抗在开关瞬间会产生巨大的电流尖峰导致严重的电源噪声和信号振铃。电流型驱动的高输出阻抗特性使其波形更干净、边沿更可控能提供更高质量的信号“眼图”。优异的EMI性能上述电流尖峰是电磁干扰的主要来源。电流型架构从源头上抑制了它使产品更容易通过电磁兼容认证。与先进工艺的自然契合现代PHY芯片高度集成化采用DSP数字信号处理技术。其内部的数模转换器常采用“电流舵”结构这本质上就是一个电流源阵列。直接使用电流型驱动与之对接比转换为电压再驱动更为直接、高效性能损失最小。10G以太网 (10GBASE-T)电流型作为绝对主导原因高速的唯一选择在万兆及更高速率下对信号完整性的要求达到了极致。任何由电压型驱动带来的噪声和失真都是无法接受的。电流型架构是实现这一高性能指标的基石。为什么电流型成为了高速以太网的基石信号完整性在高速开关时电压型驱动器低输出阻抗会对PCB走线和变压器的寄生电容进行快速充放电产生巨大的瞬时电流I C ∗ d V d t IC*\frac{dV}{dt}IC∗dtdV​​这会引起信号振铃和地弹效应严重劣化信号质量。电流型驱动器高输出阻抗输出的是受控电流从根本上避免了这一问题能产生更清晰、更可控的波形。电磁兼容性上述的电流尖峰是电磁干扰的主要来源。电流型架构从源头上抑制了它使产品更容易通过日益严格的EMC认证。与先进工艺的契合现代高速PHY本质是一个复杂的片上系统大量采用数字信号处理技术。其核心的数模转换器通常采用“电流舵”结构这本身就是一个精密的电流源阵列。直接使用电流型驱动与之对接比转换为电压再驱动更为直接、高效性能损失最小。网络变压器分类根据驱动方式分为电压驱动电流驱动依据结构类型可以分为两类离散性网络变压器(DiscreteLAN Magnetics Module)内部集成磁性变压器模块的RJ45连接器 (RJ45 Connector with Integrated Magnetics,ICMs);依据客户焊接类型可以分为两类:表面贴装元件 (SMT,Surface Mount Type)插件元件 (TH,Through-Hole Type)依据传输速率可以分类四类:10Base-T,10/100Base-T,1000 Base-T,10G Base-T.Base-T: Baseband双绞线对。简而言之Base-T是一种以bps速率工作的局域网LAN标准它通常被称为快速以太网并使用UTP非屏蔽双绞线铜质电缆。快速以太网有三种基本的实现方式Base-FX、 Base-T、和Base-T4。每一种规范除了接口电路外都是相同的接口电路决定了它们使用哪种类型的电缆。为了实现时钟/数据恢复CDR功能Base-T使用4B/5B曼彻斯特编码Manchester Encoding机制。电流驱动方式电流型和电压驱动方式电压型区别电流驱动方式仅适用于10M和100M网络。电流型请注意在PHY侧网口变压器Transformer中心抽头是上拉到Vcc电源的上拉电源大小取决于CPU端驱动能力的大小是所使用的PHY芯片资料里规定的UTP端口电平决定的一般为PHY的VCC供电电压。有的是1.8V有的是2.5V也有其他的电压。这个电源为PHY内部的电流驱动器提供偏置电压形成电流回路。必须在PHY端的差分信号线对地之间连接终端匹配电阻通常为49.9Ω用于将电流信号转换为标准的电压信号这些电阻应靠近PHY芯片放置。典型电流型PHY网口电路如下常见电流型PHY有KSZ8721(10/100Mbps)88E1111(Marvell现属Nvidia 1000Mbps)DM9000(MACPHY)DP83848(TI 10/100Mbps)LAN8740(Microchip 1000Mbps)FCP1140/2/5瑞昱5G RTL825110G RTL8261。等效电路图如下图通过调整恒流源和电流的大小可以改变载波频率。当电流驱动方法连接到变压器时变压器中间插头必须连接到应变电压产生偏置和电流感。上拉电压由PHY芯片决定。一般有1.8V和2.5V。只需阅读PHY芯片的数据手册。电压驱动方式这是目前常用的控制方法不仅可以应用于10M和100M网络还可以应用于千兆网络。千兆PoE网络的电源也基于这一原理就像电压源调整电压以实现载波变化一样。电压型的中心抽头通过一个电容接地不接电源。电容的大小一般是100nF如果EMC测试不过也可以尝试其他值。最标准、最常见的接法是中心抽头接在一起再通过电容接到地中心抽头各自独立接电容到地相对少见具体以依据PHY数据手册的明确指示为准。这个电容为高频信号提供一个低阻抗回路并起到隔直流通交流的作用。相比于电流型PHY通常不需要在PHY端的差分信号线TD / TD-之间额外添加终端匹配电阻因为芯片内部通常已集成具体仍需对比芯片手册说明或对比参考设计图典型电压型PHY网口电路如下常见电压型PHY有DP83826(TI 10/100Mbps)DP83867(TI 1000Mbps)BCM5333KD3002、KD3004、KD3008WX186088E1512(Marvell现属Nvidia 1000Mbps)ADIN1200(ADI 10/100Mbps)YT8522(裕太微1000Mbps)YT8521(裕太微1000Mbps)YT8614(裕太微1000Mbps)JL1111瑞昱千兆PHY RTL82112.5G RTL8221对于瑞昱单口PHY2.5G及以下都是电压型。它的等效电路如下电流型PHY和电压型PHY经过变压器后能对接吗可以对接而且这是以太网标准中的标准做法。无论是电流型PHY更常见的叫法是“电流驱动”或“线路驱动”还是电压型PHY“电压驱动”只要它们都遵循同一个以太网标准例如都是100Base-TX或都是1000Base-T就可以通过网络变压器Magnetics正常对接并通信。标准统一 IEEE 802.3以太网标准严格规定了在网线这一侧的信号特性包括电压/电流幅度、波形、时序、阻抗等。设计适配 芯片制造商如Marvell, Realtek, Broadcom在设计PHY时无论是选用电流驱动还是电压驱动架构都会通过内部电路和外部无源元件匹配电阻、电容等的配合确保最终在变压器初级线圈上产生的交流信号经过变压器转换后在次级线圈/网线上能完全符合IEEE标准。以太网标准规范的是变压器之后、网线上的信号。只要PHY设计符合标准无论其内部是电流驱动还是电压驱动在网线端呈现出的信号都是一致的。对接的本质 当两个设备用网线连接时它们“看到”的只是对方在网线上发出的、符合标准的信号。设备A并不关心设备B的PHY是电流型还是电压型它只负责正确地解读网线上的标准信号并发出自己的标准信号。网络变压器的内部组成网络变压器一般由主变压器、共模电感、自耦变压器三部分组成前已说明主变压器主要起到电气隔离的作用之所以要电气隔离是因为通过以太网连接的设备之间可能存在一定距离从而导致两设备的地电位可能并不一致直连的话可能导致两设备间产生低频环流导致芯片损坏共模电感则是为了抑制网线上的工模干扰共模干扰从定义上来说就是两个同频同向的信号当他们加在了双绞线的两条线上通过共模电感时产生的磁场相互抵消因此共模电感对共模干扰呈现为高阻抗特性自耦变压器主要功能为抑制EMI其原理与主变压器抑制EMI原理一致所以在EMC性能可以满足要求时一般不选配自耦变压器在节省成本的同时也可以避免自耦变压器的寄生参数导致信号边沿变缓等问题。因此实际应用场景下主变压器共模电感、共模电感主变压器、共模电感主变压器共模电感等结构较为常见那么他们又有什么区别呢网口变压器连接着PHY芯片和网线那么共模电感该放哪边呢从上面的描述可知哪边都可以但是放在PHY芯片侧是有条件的。PHY芯片的结构如图2所示。根据MDI接口的驱动类型PHY芯片分为电压型PHY和电流型PHY只有电压型PHY才能在PHY侧无限制地放置共模电感。这一点我们在后文展开讲述。以太网是异步通信系统在信息传输的过程中设备之间是没有同步时钟信号的同样是异步通信的还有串口和localbus其中串口通信能成功是靠通信双方约定同一波特率如此才能在接收数据时不发生误码。而localbus则是通过一系列的读写有效信号表征当前数据或地址的有效性对信息进行识别。无论是波特率亦或是localbus的复杂时序数据流产生的过程依然要依靠时钟以太网也是如此在MII接收到的并行数据要在MDI接口以串行方式发送并且在数据中还需要合成时钟信息这就涉及到各种编码技术了不同速率的以太网所使用的编码方式不尽相同后文也将详述。就以太网本身而言从10M到10000M其本身对网口变压器的要求也是不一样的OCL、POE能力、带宽要求以及Bob Smith电路的匹配应该怎么选择又为什么应该这么选择这些都是下文需要讨论的内容。最后网络变压器本身是比较复杂的器件由于线细其制造过程较难实现自动化生产因此在实际应用中可能会存在一系列工艺上的问题针对这个问题业界推出了分立式的网络变压器这和传统的集成式网络变压器相比又有什么优劣势呢共模扼流圈CMCCommon mode Choke即共模电感共模扼流圈(Common mode Choke)也叫共模扼制电感也就是共模电感。 这两个术语指的是同一种电子元件只是在不同的语境下称呼略有不同。其是在一个闭合磁环上对称绕制方向相反、匝数相同的线圈。理想的共模扼流圈对L或N与E之间的共模干扰具有抑制作用而对L与N之间存在的差模干扰无电感抑制作用。但实际线圈绕制的不完全对称会导致差模漏电感的产生。信号电流或电源电流在两个绕组中流过时方向相反产生的磁通量相互抵消扼流圈呈现低阻抗。共模噪声电流包括地环路引起的骚扰电流也处称作纵向电流流经两个绕组时方向相同产生的磁通量同向相加扼流圈呈现高阻抗从而起到抑制共模噪声的作用。共模电感实质上是一个双向滤波器一方面要滤除信号线上共模电磁干扰另一方面又要抑制本身不向外发出电磁干扰避免影响同一电磁环境下其他电子设备的正常工作。共模扼流圈可以传输差模信号直流和频率很低的差模信号都可以通过而对于高频共模噪声则呈现很大的阻抗所以它可以用来抑制共模电流骚扰。共模电感扼流圈是开关电源、变频器、UPS 电源等设备中的一个重要部分。其工作原理当工作电流流过两个绕向相反线圈时产生两个相互抵消的磁场 H1、 H2 此时工作电流主要受线圈欧姆电阻以及可忽略不计的工作频率下小漏电感的阻尼。如果有干扰信号流过线圈时线圈即呈现出高阻抗产生很强的阻尼效果达到衰减干扰信号作用。CMC抑制共模信号顾名思义共模扼流圈是用来抑制共模噪声信号无用的信号干扰信号)的元件它对共模噪声信号形成高阻抗而对差模信号(有用的信号)基本上无影响。它是抑制EMI电磁干扰的主要元件工作原理如下:共模信号是指在两输入端输入极性相同的信号。共模信号将导致电磁干扰。电磁干扰分为辐射干扰和传导干扰进入电源线内。信号传输不对称和阻抗不匹配时差模信号转换都将产生数字终端设备的共模信号。CMC对差模信号无影响扼流圈工作原理及插入损耗特性或称阻抗特性变压器两脚加上信号电压(差模信号)时经过磁路耦合作用在变压器的次级端感应出感生电压。对于信号电压由于CMC两绕组同时流过的信号电流大小相等、方向相反在CMC的铁芯磁路中产生了方向相反的磁通相互抵消不影响差模信号传输。而此时变压器Transformer两绕组流过的则是大小相等方向相同的电流致使变压器Transformer的作用相当于一个大的电阻阻碍差模信号的通过对载波信号的传输影响极少。所以差模信号被直接耦合加到负载上。而对共模信号来说主要是通过变压器的初、次级间的分布电容耦合到次级而此时CMC两绕组流过的是大小相等、方向相同的电流这时CMC相当于一个大的电阻阻止共模电流的传输而变压器Transformer两绕组则是流过大小相等、方向相反的电流对共模信号相当于短路这样共模电压基本上不会被传送而被耦合到负载上。从而既能使载波信号被很好的传输又能抑制共模干扰信号。以下产品为带共模EMC,带自耦之网络变压器自耦合变压器(Center Tapped Auto-Transformer)自耦合变压器对差模信号形成高阻抗对共模信号基本上无影响按照以上的接线方式接入线路中可以有效地进行信号传输继而进一步减少及抑制了电磁干扰。千兆以太网1000BASE-T和万兆以太网10GBASE-T的网络变压器是否通用千兆以太网1000BASE-T和万兆以太网10GBASE-T的网络变压器以太网变压器或磁性模块通常不能直接通用主要原因如下频率带宽差异千兆以太网的工作频率最高约125 MHz需支持1000BASE-T的4D-PAM5编码。万兆以太网需支持高达400 MHz以上的频率使用更复杂的编码如128-DSQ对变压器的带宽要求更高。插入损耗和回波损耗万兆以太网对信号完整性要求更严格需要变压器具有更低的插入损耗和更高的回波损耗以避免信号衰减和反射。隔离和共模抑制虽然两者均需满足电气隔离如1500V AC和共模噪声抑制但万兆以太网对共模抑制比CMRR的要求通常更高以保障高速信号稳定性。引脚兼容性部分封装相似的变压器可能引脚兼容如RJ45接口但若电气参数不满足万兆标准直接替换会导致性能下降或连接失败。标准规范万兆以太网需符合IEEE 802.3an标准而千兆遵循IEEE 802.3ab。变压器需通过对应认证如UL、CE混用可能违反设计规范。注意查看数据手册若变压器标明支持10GBASE-T则可兼容千兆但仅支持千兆的变压器不可用于万兆。一般会分开。替代方案部分工业级变压器设计为多速率兼容如10/100/1000/2500/10GBASE-T此类产品可通用但需确认具体型号参数。分离式网口变压器前述传统的网口变压器一般采用主变压器共模电感的两环设计根据共模电感的CCMR要求、是否支持POE、端口集成度以及主变的OCL等参数的不同传统网口变压器有多种型号但是由于其磁环较小难以实现自动化加工在实际生产过程中十分依赖人工生产导致其批次一致性无法得到保障而且传统的网口变压器制程也十分复杂这就导致了其品质不太稳定。于是分离式的网口变压器应运而生。分离式网口变压器分为电感式和电容式两种其中电感式网口变压器结构与传统的网口变压器结构类似只不过是将共模电感和主变压器分开同时将环形磁芯改成工字型磁芯后者较易实现自动化或者说自动化绕线的效率更高而电流式网口变压器在电路形式上进行了创新电容式网口变压器电路如下图所示电容式网口变压器采用了电容替代主变压器以实现电气隔离的要求同时又增加了一个自耦变压器与原来的主变压器的次级绕组一样为共模干扰能量的泄放提供了通道并且自耦变压器直接接地取消了Bob smith电路降低成本的同时也提升了其防雷击的能力。以上为相关资料里阐述的电容式网口变压器的优点但这其中也带来了一些问题。一是耦合电容的取值一般而言频率越高电容取值就越小因为电容值过大则会导致响应变慢不适配高频传输要求。但是电容容值过小时在面对长1或长0时电平保持能力会比较弱电平幅度会下降在长1或长0后如果电平反相又容易出现过冲。此外电容都存在寄生电感如果容值较小则谐振点频率也会比较小谐振点后电容的ESL占据主导对高频信号的阻抗也变大。因此电容的取值范围可能受限。二是取消Bob Smith电路虽然节省了成本并且提升了防雷能力Bob Smith电路中的电容一般是2000V耐压取消后防雷能力可提升至大于2000V但是其针对网线间的阻抗匹配及共模干扰的抑制能力是有下降的相关资料里说电容是分离网口变压器采用电容、共模电感、及自耦变压器实现阻抗匹配这种说法很模糊而且即使能匹配也是对于差分线对本身而言的对于线间的干扰我个人认为应该是无能为力的但由于未收集到相关实验数据这点先存疑。三是电容型分离式网口变压器取消了主变压器那么在结构上就失去了提供外接上拉电源的可能也就是说这类结构并不适应于电流型PHY芯片。另外自耦变压器虽有中心抽头但是中心抽头是直接接地的那么POE供电也无法实现。这些都是电容型分离式网口变压器的局限性。网络变压器中共模电感的位置PHY芯片主要功能是对MAC层下发的数据进行编码、对时钟进行合成或者恢复以及进行扰码和均衡后将数据发出。PHY与MAC的接口称为MII接口Medium Independent Interface即介质无关接口意思是物理层的接口介质对MII来讲是黑盒无论是电还是光都对此接口没有影响。而与变压器连接的接口则为MDI接口Medium Dependent Interface即介质相关接口即其通信介质需要区分是光还是电。PHY芯片内部分为PLSPhysical Layer signaling/PCSPhysical Coading signaling层、PMAPhysical Media Attachment层、PMDPhysical Media Depedent层。其中PLS/PCS层的作用为对MAC传输过来的信号进行编码但PLS层只在1M、10M以太网的场景下使用PMA层主要作用为对信号进行变换并对时钟进行合成或恢复PMD层作用为进行扰码与均衡。前述PHY芯片根据接口的驱动类型分为电压型PHY和电流型PHY。在实际组网的过程中本端设备是无法预知对端设备的类型以及电平要求的但由于变压器的存在所以不同类型的PHY芯片的互连只需要参照不同电平交流耦合时的策略即可即只管好自己本地匹配。当两边都是电压型PHY的情况下由于电压型PHY的接口是标准的通过变压器互连不存在任何问题变压器中心抽头直接通过电容接地即可两边是电流型PHY时由于电流型PHY的接口驱动需要的是灌电流所以变压器中心抽头需接电源上拉电压视PHY芯片本身要求的共模电压而定当电压型PHY和电流型PHY对接时两边的抽头上拉电源按各自PHY芯片要求即可即使两者不同也无所谓因为变压器无法传输直流电压。共模电感分为两线共模和三线共模两种放置位置可以是PHY侧也可以是cable侧或者两边都放。几种放置方式如下图所示。共模电感放置在cable侧可以更好地过滤变压器不平衡导致的干扰这是其相较于放置于PHY侧的一个优势但在POE供电的场景下PHY侧的共模电感无需承担POE电流不易饱和所以其体积可以做得更小在布局上是受益比较大且其EMC性能也较好。由于电流型PHY需要外接电源提供电流在配套两线共模电感使用时输出低电平时电流经过主变压器以及共模电感上半线圈形成回路输出高电平时反之输出0时则经过共模电感两个线圈形成回路当电流只流经一个线圈时产生的磁场无法抵消共模电感表现为高阻抗从而影响正常信号的信号质量。使用三线共模时则无论输出何种电平电流都会流过两个线圈且方向相反磁场相互抵消对信号无影响。两线共模与三线共模电感配合电流型PHY如下图所示如果对相关的EMC指标要求较高则会采用如上面图c所示的结构在PHY侧和cable侧均布置共模电感。为了适配电流型PHY可将PHY侧的共模电感改为三线共模。综上在无需POE供电的场景下采用两线共模电感、cable侧放置方案的兼容性和收益较高但在POE场景下则可优先考虑三线共模、PHY侧放置的方案。2线共模电感总结电流驱动型的PHY2线共模电感只能放在线缆RJ45侧。电压驱动型的PHY2线共模电感可以放在PHY侧或线缆侧。上述结论表明无论哪种PHY2线共模电感都可以放在线缆侧。电流或电压驱动型的PHY若为2线共模电感自耦变压器形式自耦变压器放在RJ45侧。3线共模电感总结电流驱动型的PHY3线共模电感要放在PHY侧。电压驱动型的PHY3线共模电感要放在PHY侧。万兆网一般需要使用3线共模电感其他总结与电流驱动型PHY连接的网络变压器的中心抽头接VCCVCC为PHY的供电电压。与电压驱动型PHY连接的网络变压器的中心抽头接对地电容。设计一般要求把共模电感放在PHY侧的原因是放在RJ45侧共模电感可能会出现磁饱和的情况干扰就有可能通过分布电容耦合到后级电流型的PHY要用3线的共模电感电流型如果用2线共模电感的话就只能放在RJ45侧了。网络变压器实例H1601SR的内部结构如下2线共模电感是指TX、RX连接的部分中心抽头是指CT变压器是指TD和RD连接的部分。HX4001SR内部结构H0055和H0056的内部结构H2305和HX2305的内部结构上图中网络变压器的2线共模电感靠近TD和RD要求接CHIP SIDE即PHY侧因此适用于电压驱动型PHY此结论未找到实际项目佐证。PHY实例DP83848电流型PHY与网络变压器的连接示意图上图可以看出与DP83848相连的网络变压器的中心抽头接Vdd所以它是电流型PHY电流驱动型的PHY2线共模电感要放在线缆侧因此下图是正确的。上图左侧的RD±、TD±连接至DP83848网络变压器U5的右侧为共模电感它应靠近线缆侧即连接至RJ45连接器。BCM5333包含电压型PHYTypical Discrete Transformer and RJ-45 (One Port Shown)-来自于BCM5333-AN102-R手册上图可以看出与BCM5333连接的网络变压器的中心抽头接对地电容所以它是电压型PHY电压驱动型的PHY2线共模电感可以放在PHY侧或MAC侧以下电路是实际项目上用到的。上图红色框内的4条线接PHYHX4001SR的2线共模电感是TX和RX连接的部分88E1111电流型PHY88E1111是电流型PHY它的原理图如下来自于网络。电流型PHY连接的网络变压器的2线共模电感要放在线缆侧RJ45侧上图使用了自耦变压器。DM9000电流型PHYDM9000与网络变压器连接示意图可以看出DM9000是电流型PHY下图来自于DM9000开发板电路。上图的E_TX和E_RX连接至DM9000可以看出网络变压器的2线共模电感连接线缆侧。Bob Smith电路Bob Smith电路是Bob Smith在1994年申请的一个专利电路其作用是实现阻抗匹配减小干扰以获得更好的EMC性能。其电路一般为在各变压器中心抽头接一个75Ω的电阻再通过2kV电容接地防雷作用。其电路如下图所示这里存在一个问题一般的差分线以及双绞线的特征阻抗为100Ω左右75Ω的阻值与其并不相匹配那么这里的电阻取值是否合理呢要解答这个问题首先要明确的是Bob Smith电路要解决的并不是同一条双绞线的阻抗匹配问题而是不同双绞线之间的阻抗匹配要抑制的是线间的共模干扰。网线的线缆位置与阻抗模型如图19 所示根据图19可知线间的共模干扰分为单对线与单对线的干扰单对线与两对线之间的干扰单对线与三对线之间的干扰以及两对线与两对线之间的干扰在Bob Smith电路中其假定线缆的共模阻抗值为145Ω由此得到匹配电阻为75Ω左右。网线的线缆位置与阻抗模型如下但是有相关资料对该阻值提出了质疑Bob Smith Termination vs Proper Termination根据图20的方式测定了不同情况下网线之间的共模阻抗并以此列出对应的方程进行求解得到对于5类及超5类网线来说52.3Ω的电阻相较于75Ω更为合适。实际上不同网线所用的材质不尽相同其中又有屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线的区分Bob smith电路的电阻的取值的确不能一成不变应该按实际进行调整。另外Bob Smith电路还有抑制电磁干扰可以提供约10dB左右的EMI衰减的效果、在共模干扰如雷击等场景下提供共模泄放回路的作用对网口的共模防护能力有所提升不过这也要求在Bob Smith电路中要选用封装较大的电阻、电容以满足防雷要求。对于POE设备来说Bob Smith电路的端接电阻相当于在电源上并联了一个75ohm的电阻会影响PD设备特征阻值的检测因此对于支持POE的设备需要在电阻与中心抽头之间在串接一个10nf的电容支持POE设备的Bob Smith电路如下图所示。Bob Smith电路作用阻抗变换这一点我在很多资料上看到但是实际在我后来验证实验中发现这一点不对在后续会详细描述。浪涌防护这一点是绝对准确的请看后续详细分析过程。降低EMC测试辐射这一点也是正确的。阻抗变换验证一第一个阻抗概念大家持有阻抗变换的原因是网口必然搭配网线而网线的阻抗是双绞线的75欧姆此时的75欧姆讲的是双绞线差分阻抗第二个阻抗概念在PCB板上两对差分线阻抗每个都是100欧姆的差分阻抗单端阻抗未说明第三个阻抗概念网口RJ45端子对于百兆来讲两两相接再连接75欧姆电阻过高压电容到地此时的75欧姆阻抗是干什么用的第四个阻抗概念靠近RJ45端子那边的网络变压器中心抽头连接75欧姆电阻过电容到地这个75欧姆又是做什么的第五个阻抗概念千兆网口无法连接两个75欧电阻但是差分阻抗也是100欧姆又怎么讲以上提到的阻抗前3点都是Bob Smith电路提到的但是实际上没人说的清楚为什么是75欧姆而我也认为75欧姆用来阻抗变换是不对的因为双绞线是75欧姆但是板子上是100欧姆变压器是11绕组怎么变换完全没道理。况且是不是如果此处不是75欧姆电阻而是直接去掉、变成50欧姆或者直接100欧姆此时是不是就不满足阻抗变换了为此我进行如下验证网口一致性测试验证网口一致性测试该测试用以判定网口电路的综合物理层连接指标包含眼图、上升沿、下降沿、上冲、下冲、平衡度和传输抖动等指标。可以参考泰克官网介绍在高速信号传输中我们知道如果存在过充及下冲则一定是信号传输阻抗发生变化阻抗不匹配进而导致信号出现反射等问题。所以我从下面三组处理中分别测试网口一致性指标保留RJ45和网络变压器之间的4个电阻和1个电容去掉网口RJ45端子未使用的4个pin两两相连的2个电阻去掉所有的4个电阻和1个电容。此时网口一致性数据如下上表中的数据为实际数据此时可以看出在结果比对中分别为以上三种时结果基本上变化很小且网口一致性指标都是测试通过的而且如果真的Bob Smith电路是有阻抗变换的作用的我的以上操作保留阻容、去掉电阻、去掉电阻电容完全破环了阻抗平衡但是实际上对网口一致性指标没有多大的影响这是我认为该电路不具有阻抗变换的第一个原因。验证二如果是阻抗变换则我把75欧姆电阻换成其他值是不是也会发生网口一致性测试不合格的情况。为此我做了如下实验将75欧电阻换成50欧姆将75欧电阻换成100欧姆的实际测试结果。如上图所示实际结果并不是如我们设想的那样换成50欧和100欧之后网口一致性测试未通过而是75欧、50欧、100欧时网口一致性测试全部通过了则说明该电路有阻抗变换的作用又行不通了。实际上以上结果在某些测试项目上50欧或者100欧甚至于要好于电阻为75欧时所以再一次验证了该电路有阻抗变换作用是不正确的。还有一点就是千兆网8条信号线都使用了此时75欧电阻都没有地方接了但是这一点是通用的做法为什么不考虑阻抗特性了。另外我还进行网口ping IP包测试也无延迟链路正常。浪涌防护IEC61000-4-5为电子产品雷击浪涌测试标准具体请查看链接对应说明。在进行通信端口浪涌防护能力测试时需要进行共模和差模测试两组测试测试次数依据各公司和专业认证测试公司一般是正负各5次。一般而言我们要进行共模4KV电压等级和差模2KV电压等级的测试下面将会介绍共模测试和差模测试。共模防护共模测试就是将网口用测试工装将8条线全部接在一起在8条线结点和主板地之间加上4KV标准定义波形电压测试电压波形见通讯端口浪涌测试相关标准此时浪涌的泄放路径是什么呢如下图因为8条线接在一起所以浪涌方向一致因此以1条信号线蓝色和1条未连接线绿色做浪涌泄放的说明。蓝色信号线浪涌泄放浪涌是先经过变压器一端从中心抽头出来再经过75欧电阻和高压电容到地所以需要变压器、电阻、电容都能抗住4KV浪涌冲击。绿色线浪涌泄放浪涌泄放是先经过电阻再经过电容直接到地因此需要电阻和电容能抵抗住4KV浪涌冲击。差模防护差模测试是在传输数据的差分线上测试一端接2KV正一端接2KV负极百兆网口测试2组、千兆网口测试4组。百兆网口测试如下图下面以一组差分线作说明。蓝色为网络变压器右侧浪涌路径可以看到需要抗住2KV浪涌必须要网络变压器自己可以抵抗因为没有其余泄放路径。绿色为网络变压器左侧浪涌路径也就是靠近CPU端口因为差模直接通过变压器耦合到CPU一侧线圈所以此时上图中的CPU两个引脚必须抵抗2KV冲击但是为了保护CPU我们一般在数据线上靠近CPU放置小电阻、在CPU连接的差分线之间放置双向TVS器件来保护CPU不会被浪涌打坏。降低EMC辐射电感如上图所示的几个点在电流型Bob电路时上拉电源上连接电感是用来减小高频干扰高频干扰有什么危害高频信号在频域中含有丰富的谐波或导致较强的电磁场变化导致辐射超标。电容中心抽头电容什么作用中心抽头的作用也是降低交流阻抗将高频交流信号短路到地所以L和C组成LC滤波器降低高频干扰。 共模电感辐射超标一般都是共模电流导致的而共模电感就是来消耗差分线路中的共模电流的而对差模电流基本无影响。总结我看到的文章都是说有阻抗变换和浪涌防护的作用为此我从三个点来证明阻抗变化这一点不是很正确可能是错误的另外从浪涌防护的角度来阐述了Bob Smith电路在浪涌防护中的作用为了更好的防护效果电阻一般选用 3216封装电容也选择3216封装因为大封装耐高压冲击特性比较好。最后讲到了此电路在防止EMC测试辐射中的作用。参考网口浪涌防护电路-Bob Smith电路Bob Smith电路和POE供电的联系POE供电标准IEEE802网络协议和标准在千兆网如1000BASE-T网口电路中Bob Smith电路通常同时应用于发送端TX和接收端RX的网络变压器上但其具体设计会根据POE支持情况调整。Bob Smith电路的保留与移除原则传输POE直流电源的线对其网络变压器中心抽头必须移除Bob Smith电路避免短路直流电源而非供电线对可保留Bob Smith电路用于共模抑制。传统非POE设计Bob Smith电路连接至网络变压器的中心抽头包括TX和RX两侧通过75Ω电阻和1000pF电容将共模噪声引导至机壳地Chassis GND抑制EMI辐射。TX和RX均需配置因为噪声可能来自发送或接收路径。若设备支持POEBob Smith电路可能需要移除或改造具体取决于POE供电模式IEEE802.3af允许两种线序供电方法一种是在4、5、7、8线对上传输电流并且规定4、5为正极7、8为负极。另一种供电是在1、2、3、6线上传输电源极性较为任意1、2为正极3、6为负极或是1、2为负极3、6为正极Alternative A数据对供电通过数据对1,2,3,6脚传输直流电源TX和RX的数据对1,2,3,6脚中心抽头需连接POE-PD芯片Bob Smith电路必须移除否则会短路直流电源。同时传输数据信号千兆网使用全部4对线通信Alternative B空闲对供电通过空闲对4,5,7,8脚传输直流电源空闲对4,5,7,8脚的中心抽头不可保留Bob Smith电路传输POE电源数据对可以保留Bob Smith电路。现代POE集成方案许多支持POE的网络变压器已内置共模抑制功能无需外置Bob Smith电路直接通过PD芯片滤波抑制噪声。千兆网1000BASE-T使用全部4对线同时进行双向数据传输因此“空闲对”在千兆网中并非真正空闲但POE规范仍沿用此命名。由于供电端PSE设备支持两种供电方式因此受电端PD设备1,2,3,6脚和4,5,7,8脚通常均需要设计为传输电源即支持POE供电。此外由于以太网线缆的568A和568B标准两者区别是1,2脚和3,6脚可能会反过来即可能是供电PSE端1,2脚接受电PD端3,6脚的原因不知道供电端PSE设备1,2脚和3,6脚哪个是电源正哪个是电源负。且IEEE802.3af规定了两种线序供电方法。因此1,2脚和3,6脚的中心抽头需要经过整流桥后再给到PD芯片4,5脚和7,8脚同理也需要先接入整流桥。总结支持POE时TX和RX的Bob Smith电路均需调整或移除若设备需兼容两种POE模式建议直接采用集成POE的网络变压器中心抽头自动适配PD连接并省略Bob Smith电路。参考电压驱动型PHY、电流驱动型PHY与网络变压器的连接方式以太网、PHY与网口变压器