摘要介绍 网络变压器的基本原理、变压器中各器件的功能 , 给出了一些网口EMC 设计的注意事项 , 并针对网口 RE 问题, 提出了一些可以用在端口处的解决方案。
关健词中心抽头电容 ;隔离变压器;共模电感 ;鲍勃史密斯电路; 辐射发射
1 网络变压器的基本原理 以太网设备在收发器和网线间使用变压器 , 其包含中心抽头电容 , 变压器 , 自祸变压器 , 共模电感 。 以太网变压器的功能:
. 满足 IEEE 802.3 中电气隔离 的要求 ;
. 不失真地传输以太网信号;
. 辐射发射的抑制。 本文主要介绍其对辐射发射的抑制功能.
2 器件的功能 通过了解网口接口电路及电路中各部分器件的功能来介绍一些可 以使用的解决方案。网口接口电路有很多种 , 我们以图 1 为例介绍一些器件的功能。
2 . 1 中心抽头电容 对差分信号线上的共模电流提供低阻抗回返路径 , 所以对于不同的问题频率点 , 我们可以选择相应的电容值提供这个低阻抗的回返路径。
案例 : 表 1 是网口芯片 RTL8211B 在有 、无中心抽头电容以及中心抽头电容容值不 同时的实测数据。
表 1 中采用 100pF 时达到最佳效果, 但这只是针对某种特定的芯片, 以及特定印刷电路板的情况 , 对于不同芯片以及不同印刷电路板, 此容值选择多少能够达到最佳效果 , 需要实际去尝试。 但有一点可以确定 , 就是此电容对网口辐射发射有着很大的影响 。
2. 2 隔离变压器 加隔离变压器可满足 IEEE 802.3 的绝缘要求 , 但不能抑制 EMI。
2. 3 共模电感 共模电感可以 抑制共模噪声 , 但需要特别注意共模 电感的位置 , 如果放在芯片侧, 则不适合用于 电流驱动型 的芯片 , 如 图 3 所示 , 当电流流经共模电感的方向相同时 , 共模电感的磁芯中并没有磁力线相互抵消 , 此时共模电感的阻抗阻碍电流的变化，进而影响到正常工作的信号。
如果放在线 缆侧 , 为了保证 Bob一smith 电路的匹配作用 , 需要再增加一个自藕变压器 , 如 图 4。
以上方案需要多增加一个磁芯 , 所以目前应用更多的是使用三线共模电感 , 如图 5 。 此种方案既可以适用于电流驱动型的芯片 , 而且只需要两个磁芯 , 减少了成本。
图 5 所示的方案还有一个好处 , 就是对于地上的共模噪声有很好的抑制作用 , 如 图 6 , 当地噪声是共模源时 , 电流同向经过 3 个线圈 , 共模阻抗较大 , 起到抑制共模噪声的作用 。
案例 : 我们以 RTL8221B 芯片为例 比较有 、无共模电感的差异 , 共模电感为二线 , 并且放于芯片侧 。 表 1 中的测试数据都是在有共模电感的情况下 , 现在我们选择在有 4 颗 100pF 中心抽头电容的情况下将共模电感去掉 , 改为直接连接 , 测试数据如表 2 , 通过对比可以看出, 有共模电感时对辐射的抑制效果更好。
2. 4 Bob一smith 电路 电路有两种功能 : 提供网口任意两对差分信号间 150Ω 的阻抗匹配 ; 可以对共模信号提供一个回流路径。
考虑第一种功能 , 我们就可以清楚为什么共模电感放在线缆侧时不能满足 Bob一smith 电路的匹配作用, 如图7。此时匹配电阻不是 150Ω , 而变成了 Z = 2* 75 + 2* Zcmc, 不能满足其阻抗匹配的作用 。所以 , 两线共模电感不能放在线缆侧 , 如果放在线缆侧 , 则需要额外增加一个自藕变压器。
考虑第二种功能 , 它所能提供的阻抗 :
要想在较宽频率范围内获得低阻抗 , 需要控制连线阻抗 , 保证 Bob一smith 电路的低阻抗连接 。针对不同的问题频率点还可以适当调整电路中电容的容值。其作用与中心抽头电容类似 , 但因为其路径上有 75Ω 的串联电阻 , 并且此电容为高压电容 , 容值很难选得很大 , 所以其对网口辐射发射的影响并没有中心抽头那么明显 , 但也是我们可以调整解决网口问题的一个方面 。
3 结语 变压器对 EMI 的抑制效能是各器件特性 、寄生参数及相互影响的综合结果 , 不能仅通过电路图来判断。与其它滤波器一样 , 源和负载的共模阻抗及参考面的阻抗对变压器的共模抑制都很关键 , 而且变压器内部结构的设计对其辐射发射的抑制也会有很大的影响 , 在网口辐射发射抑制的设计中需要全面考虑 。