Este artículo analizará principalmente el principio, los parámetros principales y las funciones realizadas
del transformador de red. El módulo del transformador de red (transformador Ethernet, también conocido como transformador de aislamiento de red / mercurio de datos) que se muestra en la Figura 1 es una parte indispensable del circuito de la tarjeta de red, que incluye principalmente el medio Tap capacitor, transformador, autotransformador, inductor de modo común. El transformador generalmente se instala cerca del extremo de entrada de la tarjeta de red. Cuando está en funcionamiento, la señal de datos de enlace ascendente enviada por el transceptor ingresa desde Pin16-Pin15 del transformador de red, y es enviada por Pin10-Pin11, y luego se envía al servidor a través del par trenzado sin blindaje a través del adaptador RJ45; la señal de datos de enlace descendente enviada por el servidor A través de otro par de par trenzado sin blindaje y un adaptador RJ45, se ingresa mediante Pin7-Pin6, se emite mediante Pin1-Pin2 y luego se envía al transceptor de la tarjeta de red.
Figura 1: Diagrama de circuito del transformador de red
Funciones
Ethernet Transformer implementa principalmente las siguientes tres funciones:
1. Cumplir con los requisitos de aislamiento eléctrico IEEE 802.3
2. Transmisión sin distorsiones de señales Ethernet
3. Supresión de emisiones radiadas y
aislamiento eléctrico
El nivel de señal generado cuando cualquier chip de proceso CMOS está funcionando es siempre mayor que 0 V (según el proceso de fabricación del chip y los requisitos de diseño), la señal de salida PHY enviada a un lugar de 100 metros o más tendrá una gran pérdida de componente de CC. Y si el cable de red externo está conectado directamente al chip, la inducción electromagnética (trueno) y la electricidad estática pueden dañar fácilmente el chip. Además, el método de conexión a tierra del equipo es diferente, y el entorno de la red eléctrica diferente hará que el nivel de 0 V de ambas partes sea inconsistente. De esta manera, la señal se transmite de A a B. Debido a que el nivel de 0 V del dispositivo A es diferente del nivel de 0 V del punto B, esto puede causar una gran La corriente eléctrica fluye desde un dispositivo con alto potencial a un dispositivo con bajo potencial. El transformador de red filtra la señal diferencial enviada por el PHY con un filtro de acoplamiento de bobina de acoplamiento de modo diferencial para mejorar la señal y se acopla al otro extremo del cable de red de conexión a través de la conversión del campo electromagnético. De esta forma, no hay conexión física entre el cable de red y el PHY, sino que se transfiere la señal y se corta el componente DC de la señal, pudiendo también transmitir datos en dispositivos con diferentes niveles de 0V. El transformador de red en sí está diseñado para soportar voltajes de 2KV ~ 3KV. También jugó un papel en la protección contra rayos. Los dispositivos de red de algunos amigos se queman fácilmente en tormentas eléctricas. La mayoría de ellos son causados por un diseño de PCB irrazonable, y la mayoría de las interfaces del dispositivo se queman. Se queman pocos chips, pero el transformador juega un papel protector. El transformador de aislamiento puede cumplir con los requisitos de aislamiento de IEEE802.3, pero no puede suprimir EMI.
Rechazo de modo común
Cada cable de un par trenzado se enrolla uno alrededor del otro en una estructura de doble hélice. El campo magnético generado por la corriente que fluye a través de cada cable está restringido por la forma de espiral. La dirección de la corriente que fluye a través de cada cable del par trenzado determina el grado de ruido emitido por cada par de cables. El grado de emisión causado por el modo diferencial y la corriente de modo común que fluye en cada par de cables es diferente. La emisión de ruido causada por la corriente de modo diferencial es pequeña, por lo que el ruido está determinado principalmente por la corriente de modo común.
1. Señal de modo diferencial en cable de par trenzado Para la señal de modo diferencial, la corriente en cada cable se transmite por un par de cables en la dirección opuesta. Si el par de cables está enrollado uniformemente, estas corrientes opuestas producirán campos magnéticos polarizados iguales y opuestos, haciendo que sus salidas se cancelen entre sí. La señal de modo diferencial en el sistema de par trenzado sin blindaje se muestra en la
Figura 2. Figura 2: La señal de modo diferencial en el par trenzado sin blindaje
En el par trenzado sin blindaje, la señal de modo diferencial libre de ruido no produce interferencias de radiofrecuencia.
2. La corriente de modo común de la señal de modo común en el cable de par trenzado fluye en la misma dirección en los dos cables y regresa a tierra a través de la capacitancia parásita Cp. En este caso, la corriente produce campos magnéticos de igual magnitud y la misma polaridad, y sus salidas no se pueden cancelar entre sí. Como se muestra en la Figura 3, la corriente de modo común genera un campo electromagnético en la superficie del cable trenzado, que actúa como una antena.
Figura 3: Señal de modo común en par trenzado sin blindaje
En pares trenzados sin blindaje, las señales de modo común generan interferencias de radiofrecuencia.
3. El ruido de modo común, de modo diferencial y el ruido en cables EMC se dividen en dos categorías: ruido de radiación y ruido de conducción generado por cables de alimentación y cables de señal. Estas dos categorías se dividen en ruido de modo común y ruido de modo diferencial. El ruido de conducción en modo diferencial es la corriente de ruido en la misma ruta que la corriente de señal o la corriente de la fuente de alimentación generada por el voltaje de ruido dentro del dispositivo electrónico, como se muestra en la Figura 4. El método para reducir este tipo de ruido es conectar la línea de señal y la línea de energía en serie con un estrangulador de modo diferencial, un capacitor paralelo o un filtro de paso bajo compuesto por un capacitor y un inductor para reducir el ruido de alta frecuencia, como se muestra en la Figura 5.
Figura 4: Ruido en modo diferencial
Figura 5: Supresión de ruido en modo diferencial
El ruido de radiación en modo diferencial es la radiación generada por el bucle de corriente de señal en el cable de la Figura 4. La intensidad del campo eléctrico producido por este ruido es inversamente proporcional a la distancia del cable al punto de observación, proporcional al cuadrado de la frecuencia y proporcional al área de la corriente y el bucle de corriente. Por lo tanto, el método para reducir esta radiación es agregar un filtro de paso bajo LC en la entrada de señal para evitar que la corriente de ruido fluya hacia el cable; use cables blindados o cables planos para transmitir la corriente de retorno y la corriente de señal en los cables adyacentes para hacer el bucle El área se reduce. El ruido de conducción en modo común es impulsado por el voltaje de ruido en el dispositivo, a través de la capacitancia parásita entre la tierra y el dispositivo, y la corriente de ruido que fluye entre la tierra y el cable, como se muestra en la Figura 6.
Figura 6: Ruido de modo común
El método para reducir el ruido de conducción en modo común es conectar un estrangulador de modo común en serie con la línea de señal o la línea de alimentación, conectar un condensador en paralelo entre la tierra y el cable y formar un filtro LC para filtrar el ruido de conducción en modo común. Su circuito se muestra como en la Fig.7.
Figura 7: Supresión de ruido en modo común
La bobina de choque de modo común se forma enrollando el cable de señal y el cable de tierra en la misma dirección en el núcleo de ferrita. Tiene una pequeña impedancia para la corriente de señal de modo diferencial y la corriente de la fuente de alimentación que fluye entre los cables, y la resistencia entre los dos cables y la tierra. La impedancia de la corriente de modo común que fluye entre ellos es muy grande. El ruido de radiación de modo común es causado por el voltaje de modo común en el puerto del cable, que es impulsado por una corriente de modo común que fluye desde el suelo hasta el cable. La intensidad del campo eléctrico radiado es inversamente proporcional a la distancia del cable al punto de observación (cuando la longitud del cable es más corta que la longitud de onda de la corriente), es proporcional a la frecuencia y la longitud del cable. Los métodos para reducir este tipo de radiación son: reduzca la impedancia del cable de tierra usando un plano de tierra en la placa de circuito y use un filtro de paso bajo LC o un estrangulador de modo común en el puerto del cable. Además, minimizar la longitud del cable y utilizar cables blindados también puede reducir la radiación. El inductor de modo común integrado en el transformador de red puede suprimir eficazmente el problema de EMI causado por la corriente de modo común, pero debe prestar especial atención a la posición del inductor de modo común. Si se coloca en el lado del chip, no es adecuado para chips impulsados por corriente, como se muestra en la Figura 8. Cuando la dirección de la corriente que fluye a través del inductor de modo común es la misma, no hay líneas magnéticas de fuerza en el núcleo del inductor de modo común que se cancelen entre sí. En este momento, la impedancia del inductor de modo común dificulta el cambio de corriente y afecta la señal de trabajo normal.
Figura 8: Se utilizan inductores de modo común de dos cables para chips impulsados por corriente
Si se coloca en el lado del cable, para garantizar el efecto de adaptación del circuito Bob Smith, se debe agregar un autotransformador, como se muestra en la Figura 9.
Figura 9: El papel del autotransformador
Figura 10: Transformador de red MNC2401GS (utilizado por V211)
El esquema anterior requiere un núcleo magnético adicional, por lo que la aplicación actual es más el uso de inductores de modo común de tres cables, como se muestra en la Figura 11. Esta solución se puede aplicar a chips impulsados por corriente y solo se requieren dos núcleos magnéticos, lo que reduce el costo.
Figura 11: Aplicación de inductor de modo común de tres cables
Otra ventaja del esquema que se muestra en la Figura 11 es que tiene un buen efecto de supresión del ruido de modo común en el suelo. Como se muestra en la Figura 12, cuando el ruido local es una fuente de modo común, la corriente fluye a través de 3 bobinas en la misma dirección y la impedancia de modo común es relativamente grande. , Juega un papel en la supresión del ruido de modo común.
Figura 12: Inductancia de modo común de tres hilos para suprimir el
transformador de ruido de tierra y la conducción de ruido. El
transformador ideal es teóricamente un elemento de circuito perfecto. Puede transferir energía eléctrica entre los devanados primario y secundario con un acoplamiento magnético perfecto. Un transformador ideal solo puede transmitir corrientes alternas en modo diferencial. No puede transmitir corriente en modo común porque la diferencia de potencial entre los dos extremos de la corriente en modo común del devanado del transformador es cero y no puede generar un campo magnético en el devanado del transformador. Existe una capacitancia de acoplamiento CWW pequeña pero no igual a cero entre los devanados primario y secundario del transformador real, como se muestra en la Figura 13.
Figura 13: Capacitancia de acoplamiento entre el primario y el secundario del transformador
Esta capacitancia es causada por espacios físicos y no dieléctricos entre los devanados. Aumentar el espacio entre los devanados y llenar el espacio entre los devanados con materiales con baja constante dieléctrica puede reducir el valor de la capacitancia entre los devanados. El condensador Cww proporciona un canal a través del transformador para la corriente de modo común, y su impedancia está determinada por el tamaño de la capacitancia y la frecuencia de la señal.
Center Tap
tiene dos funciones principales: 1. Proporcionar una ruta de baja impedancia para la corriente de modo común y reducir la corriente / voltaje de modo común (igual que el Choke) 2. Proporcionar polarización de CC para las señales Rx / Tx en el transceptor Para diferentes puntos de frecuencia problemáticos, podemos elegir diferentes valores de capacitancia para proporcionar una ruta de retorno de baja impedancia. Para diferentes chips y diferentes PCB, la cantidad de capacitancia que se puede seleccionar para lograr el efecto requiere pruebas prácticas, pero una cosa es segura, esta capacitancia tiene un gran impacto en la emisión de radiación del puerto de red.
Circuito Bob Smith
Este circuito tiene dos funciones: proporciona una adaptación de impedancia de 150 ohmios entre dos señales diferenciales cualesquiera del puerto de red; puede proporcionar una ruta de retorno para señales de modo común. Teniendo en cuenta la primera función, podemos ver claramente por qué el inductor de modo común no puede cumplir con los requisitos de coincidencia del circuito Bob Smith cuando se coloca en el lado del cable, como se muestra en la Figura 14:
Figura 14: Circuito con el inductor de modo común en el lado del cable
En este momento, la resistencia de coincidencia no es 150ohm, sino que se convierte en Z = 2 × 75 + 2 × Zcmc, que no puede cumplir con los requisitos de adaptación de impedancia. Por lo tanto, el inductor de modo común de dos hilos no se puede colocar en el lado del cable. Si se coloca en el lado del cable, se requiere uno adicional Autotransformador. Considere la segunda función, la impedancia que puede proporcionar: para obtener una baja impedancia en un amplio rango de frecuencia, es necesario controlar la impedancia del cableado para asegurar una conexión de baja impedancia del circuito Bob-smith. De acuerdo con los diferentes puntos de frecuencia del problema, el valor de capacitancia del capacitor en el circuito se puede ajustar apropiadamente. Su función es similar a la del condensador con toma central, pero debido a que hay una resistencia en serie de 75 ohmios en el camino, y este capacitor es un capacitor de alto voltaje, es difícil elegir una capacitancia grande, por lo que su impacto en la emisión de radiación del puerto de red no es tan obvio como la toma central Pero también es un aspecto en el que podemos ajustarnos para solucionar el problema del puerto de red. Parámetros principales La Figura 15 es el diagrama del circuito equivalente del transformador, y la Figura 16 es la tabla de parámetros principales del producto MNC H1606DG. Los principales parámetros involucrados son la
Figura 15: Circuito equivalente del transformador
- Inductancia de circuito abierto (OCL): Inductancia de circuito abierto, en la Figura 15
- Inductancia de fuga: La inductancia de fuga, en la Figura 15, está relacionada con el coeficiente de acoplamiento del transformador (según la tecnología del devanado y el núcleo magnético)
- Capacitancia de entrebobinado: Capacitancia de entrebobinado, C12 en la Figura 15 también lo es. Si es pequeño, no tendrá efecto en la señal del transformador, si es demasiado grande, proporcionará una ruta de baja impedancia para la corriente de modo común, lo que tendrá efectos adversos.
- Resistencia DC: RL1 y RL2 en la Figura 15
- Relación de transformación del transformador: Relación de giro, relación de giro del devanado primario y secundario
- Pérdida de inserción dB: Pérdida de inserción = 20Xlog (V1 / V2), donde V1 es el nivel de salida después de insertar el transformador y V2 es el nivel de salida cuando el transformador no está insertado. Este parámetro se utiliza para medir el impacto en la señal de transmisión después de que se inserta el transformador, cuanto más pequeño, mejor. Generalmente se refiere a la curva de relación entre la atenuación de la señal del transformador de red y la frecuencia de la señal.
- Pérdida de retorno dB: Pérdida de retorno, que mide la relación entre el grado de desajuste de impedancia del sistema y la frecuencia de la señal después de insertar un transformador de red. Pérdida de retorno = 20Xlog (Vr / Vi), donde Vr es la amplitud de la señal reflejada y Vi es la amplitud de la señal incidente
- Interferencia de cruce dB: Cross Talk, la relación entre la señal V1 en uno de los dos circuitos de la unidad y la señal V2 inducida en el otro circuito de la unidad Cross Talk = 20Xlog (V2 / V1)
- Relación de rechazo de modo común dB: CMRR = 20Xlog (Vout / Vin), la relación entre la amplitud de la señal de interferencia de modo común Vin en el extremo de entrada del transformador de red y la amplitud de la señal de interferencia de modo común Vout en el extremo de salida
- Nivel de aislamiento: aislamiento HOT-POT, nivel de aislamiento eléctrico
Figura 16: Tabla de parámetros MNC H1606DG
TBD
sobre la conexión del grifo central (algunos conectados a tierra, otros conectados a la fuente de alimentación, el valor del nivel puede ser diferente), hay lo siguiente en línea sección Q & a:
Q : dispositivo Ethernet, cuando se conecta a un PHY a través de RJ45, un intermediario agregará un transformador de red. Algunos transformadores conectan la toma central a la fuente de alimentación y otros conectan el condensador a tierra. Y cuando la energía está conectada, el valor de la energía puede ser diferente, 3.3V, 2.5V, 1.8V están disponibles. ¿Cuál es el propósito de este transformador?
UN: La siguiente es una respuesta aproximada: 1. ¿Por qué algunos de los grifos centrales están conectados a la corriente? ¿Algunos están conectados a tierra? Esto se determina principalmente por el tipo de unidad de puerto UTP del chip PHY utilizado Hay dos tipos de este tipo de unidad, unidad de voltaje y unidad de corriente. Para la conducción de voltaje, conecte la fuente de alimentación; para la conducción de corriente, conecte un condensador a tierra directamente. Por lo tanto, para diferentes chips, el método de conexión del grifo central está estrechamente relacionado con el PHY. Para obtener detalles, consulte la hoja de datos del chip y el diseño de referencia. 2. ¿Por qué está conectado a un voltaje diferente cuando está conectado a la fuente de alimentación? Esto también está determinado por el nivel de puerto UTP especificado en los datos del chip PHY utilizados. Qué nivel se decide, debe conectar el voltaje correspondiente. Es decir, si es de 2.5v, se elevará a 2.5v, si es de 3.3v, se elevará a 3.3v. 3. ¿Cuál es el propósito de este transformador? ¿No se puede conectar? En teoría, es posible conectarse directamente al RJ45 sin un transformador y puede funcionar con normalidad. Sin embargo, la distancia de transmisión es muy limitada y también tendrá un impacto cuando se conecte a un puerto de red de un nivel diferente. Y la interferencia externa al chip también es excelente. Cuando el transformador de red está conectado, se utiliza principalmente para el acoplamiento de nivel de señal. Primero, puede mejorar la señal para aumentar la distancia de transmisión; segundo, el extremo del chip está aislado del exterior, la capacidad antiinterferente se mejora enormemente y se agrega un gran efecto de protección (como un rayo) al chip; tercero, cuando se conecta Cuando llega a los puertos de red de diferentes niveles (como 2,5 V para algunos chips PHY y 3,3 V para algunos chips PHY), no afectará a los dispositivos de los demás. En general, el transformador de red tiene principalmente las funciones de transmisión de señal, adaptación de impedancia, reparación de forma de onda, supresión de desorden de señal y aislamiento de alto voltaje.
Al buscar los datos del chip PHY, no hay una descripción del nivel del puerto UTP, por lo que todavía hay preguntas en este lugar.