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网络变压器:如何用“小”改变,玩转大市场?

2022-6-17 16:44| 发布者: 闪电| 查看: 1| 评论: 0

摘要: 凭借着性能出色、连接简单、生态完善等优势,以太网已经成为了局域网(LAN)领域通用的通信协议标准,并伴随着数据消费量的迅速增长,不断快速演进。今天以太网的发展趋势,体现在三个方面:● 性能越来越高:目前1 ...

凭借着性能出色、连接简单、生态完善等优势,以太网已经成为了局域网(LAN)领域通用的通信协议标准,并伴随着数据消费量的迅速增长,不断快速演进。


今天以太网的发展趋势,体现在三个方面:


●     性能越来越高:目前10/100Gbps的以太网已经成为主流技术,400Gbps技术也已经在跑步赶来。在提升传输速率这件事上,以太网从未放慢脚步。


●     应用越来越广:除了数据通信领域外,以太网还正在进入工业自动化控制、车载网络这些对实时性、确定性要求苛刻的领域。TSN(时间敏感型网络)等技术正在努力让以太网去适应这些新场景的要求,单一以太网架构“一统天下”的局面正在成为现实。


●     功能日趋多样化:除了传输数据外,藉由以太网供电(PoE)技术,以太网在同一介质上也可承担电能传输职责,这就使得以太网终端设备的部署更容易,也让以太网的触角可以延伸到更多地方。


不难判断,以上三个趋势决定了在未来相当长的一段时间内,以太网端口的增长还将保持相当大的加速度,而相关元器件的需求也会持续看涨。本文就将聚焦在其中的一颗料上——它在BOM中似乎不那么抢眼,但在每一个以太网连接端口中却是不可或缺的存在——它就是网络变压器(也被称为“LAN变压器”)。


LAN变压器的作用


LAN变压器是一个磁性模块,它通常作为连接物理层(PHY)收发器和RJ45连接器的接口,主要起到信号调理和隔离的作用,以实现更高的信号质量,保证更可靠的网络连接。


具体来讲,LAN变压器与我们所熟悉的变压器工作原理相同,是将PHY传输来的差分信号通过电磁场的转换耦合到连接网线的另外一端。在这个看似“简单”的过程中,LAN变压器却发挥着很重要的作用:


●     通过将来自PHY的差分信号用差模耦合的线圈耦合滤波,LAN变压器可以让信号增强,支持更远的传输距离。


●     通常情况下,以太网端口两侧的设备电平是不一致的,如果直接相连的话,可能会导致较大的电流从电势高的设备流向电势低的设备,造成设备损坏;同时,线路上的瞬态能量变化——如电磁感应和静电等——也会被传导给其他设备,这很容易损坏芯片等敏感器件。而LAN变压器可以起到隔离作用,提升系统整体的稳定性和可靠性。


●     当共模信号经过隔离变压器时,由于线圈两端的电压极性相同,不会形成电流,也就不会将共模信号传递至次级线圈,因此LAN变压器对共模干扰可以起到抑制作用。对于通过线圈间的耦合电容通路传递到次级的共模噪声,可以将共模扼流圈与LAN变压器配合使用来加以抑制,提升信号的质量。因此,在抑制EMI干扰,优化网络传输环境方面,LAN变压器也能够扮演重要的角色。


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图1:LAN变压器的典型应用

(图源:Bourns)


LAN变压器的短板


传统的LAN变压器通常由脉冲变压器(T1)和共模扼流圈(T2)两部分组成,这些缠绕着漆包线的铁氧体磁芯被集成在一个带有端子引脚的塑料外壳中,形成一个完整的模块。


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图2:传统LAN变压器模块

(图源:Bourns)


细心的小伙伴可能已经发现,传统LAN变压器采用的是环形铁氧体磁芯(T型磁芯)。之所以会选择这种磁芯,是因为其对称的闭环结构能够尽可能降低磁通量外漏,因此具有更高的效率,且对外辐射的EMI也更少,性能上的优势明显。


不过凡事都有利有弊,采用T型磁芯的传统LAN变压器虽然性能好,但是在制造时不可避免地会在绕组过程中使用大量人工,无法实现自动化生产。这一方面不利于提升生产效率和减低生产成本,另一方面手工绕组也比较难于确保产品在电气性能上的一致性,造成传统LAN变压器在传输质量上的“不均匀性”。此外,由于传统LAN变压器是将变压器和共模扼流圈两个磁性元件封装在一起的模块,元件的体积较大,对PCB设计上的要求也更高。


上述这些传统LAN变压器的短板,在以前也许还可以“忽略”,但是随着以太网端口数量飞速增长,开发者除性能之外,对于成本、交期、元件尺寸和易用性等其他因素势必会有更高的诉求,因此弥补传统LAN变压器短板,开发出一种替代解决方案势在必行。


片式LAN变压器的优势


能够满足新趋势下新要求的替代品,就是片式变压器。


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图3:片式LAN变压器

(图源:Bourns)


与传统LAN变压器采用环形磁芯、多个磁性元件集成封装的架构相比,片式LAN变压器的变化主要体现在两个方面:


●     其一,片式LAN变压器采用的磁性结构是:先将线圈缠绕在鼓形磁芯上,再通过覆盖铁氧体板来“模拟”环形磁芯的闭合磁路,以达到可与传统LAN变压器比肩的性能。如果配合片式共模扼流圈(共模电感)使用,还可以实现出色的EMI抑制。


●     其二,片式LAN变压器是一个中心抽头的分立磁性元件,这就使得其外形更为轻薄,相较于传统的集成模块方案,可以为PCB布局布线带来更大的灵活性。


这种架构设计上的变化,带来的显著优势还在于——它使得在绕组过程中采用自动化先进技术成为了可能,这种基于全自动生产的表面贴装磁性元件在很大程度上克服了传统LAN变压器需要人工生产、产品稳定性低的缺点,大大提高了产品品质和一致性,缩短了交付周期,也为后续大批量自动化的SMT装配提供了便利。


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图4:传统与片式LAN变压器(模块)的性能比较

(图源:Bourns)


Bourns片式LAN变压器方案


正是因为片式LAN变压器在实际应用和可靠性方面上具有突出优势,同时还实现了高性能,因此近年来一直是磁性元件界的明星产品。而Bourns公司近期推出的两款屏蔽式千兆以太网片式LAN变压器系列,可谓是“明星中的明星”。


这两款片式LAN变压器包括SM453230-121N7YP和SM453230-231N7YP两个系列,均是外形紧凑、应用灵活的分立式解决方案。


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图5:SM453230-x1N7YP片式LAN变压器

(图源:Bourns)


其中SM453230-231N7YP支持1/2.5/5Gb的以太网,而SM453230-121N7YP则可支持10Gb的网络。同时,该产品能够提供1500VAC / 60s的高压隔离并承受高达2400V、1.2/50μs的脉冲电压冲击,支持-40°C至+85°C的宽温范围,因此非常适用于高速电信和网络设备产品。


值得一提的是,SM453230-x1N7YP片式LAN变压器还可以支持PoE+以太网供电标准,能够提供700mA的电流。要知道,想具备PoE+规定的通流能力以及DC偏流的承受力,就需要解决线圈发热和磁芯饱和的问题,显然Bourns的方案在这些方面都已经有了很好的对策。


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图6:SM453230-x1N7YP片式LAN变压器框图

(图源:Bourns)


在EMI抑制方面,SM453230-x1N7YP片式LAN变压器为用户提供了两种选择:用户可以搭配使用Bourns推荐的片式共模扼流圈(见图7)来减少EMI干扰;即使没有额外的共模滤波器,中心抽头也可实现不错的共模抑制效果,以简化开发者在EMC设计上的工作。


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图7:SM453230-121N7YP和SM453230-231N7YP片式LAN变压器特性比较(图源:Bourns)


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表1:SM453230-x1N7YP片式LAN变压器规格

(资料来源:Bourns)


本文小结


最后总结一下:以太网作为当今数字时代的骨架,随着人们对于数据消费量的不断攀升,也在势不可挡地快速发展,由此生发出的新需求传导到LAN变压器这个微小的磁性元件上,也会在可制造性、质量的一致性、成本、交期等方面形成不小的挑战。


从传统的LAN变压器向片式LAN变压器的转变,可以很好地契合以太网发展趋势的要求,用一个看似“微小”的改变,去玩转一个仍在不断扩张、体量巨大的市场。


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