网口电路设计

网络变压器分类

可以分为两类:a. 离散性网络变压器(DiscreteLAN Magnetics Module)；b. 内部集成磁性变压器模块的RJ45连接器 (RJ45 Connector with Integrated Magnetics,ICMs);

产品依据客户焊接类型，可以分为两类:a. 表面贴装元件 (SMT,Surface Mount Type)b. 插件元件 (TH,Through-Hole Type)

产品依据传输速率，可以分类四类:a. 10Base-T,b. 10/100Base-T,c. 1000 Base-T,d. 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1Base-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。)

1、共模扼流圈（CMC：Common mode Choke）

共模扼流圈(Common mode Choke)，也叫共模扼制电感，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：

2、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。

3、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。

变压器的中间抽头。中间抽头为什么有些接电源？有些接地？这个主要是使用的phy芯片UTP（双绞线）口驱动类型决定的，有两种，如果是电压驱动的就要接电源；如果是电流驱动的就不用了，直接接个电容到地。为什么有些接2.5v？而有些又接3.3v呢？这个由PHY芯片资料里规定的UTP端口电平决定。如果是2.5v的就上拉到2.5v，如果是3.3v的就上拉到3.3v。

 

1 网口变压器作用

1、中间抽头为什么有些接电源？有些接地？

这个主要是与使用的PHY芯片UTP口驱动类型决定的， 这种驱动类型有两种， 电压驱动和电流驱动。电压驱动的就要接电源； 电流驱动的就直接接个电容到地即可！所以对于不同的芯片， 中心抽头的接法， 与PHY是有密切关系的，具体还要参看芯片的datasheet 和参考设计了。

2、为什么接电源时，又接不同的电压呢？

这个也是所使用的PHY芯片资料里规定的UTP 端口电平决定的。决定的什么电平，就得接相应的电压了。即如果是2.5v 的就上拉到2.5v，如果是3.3v 的就上拉到3.3v。

3.这个变压器到底是什么作用呢，可不可以不接呢。

从理论上来说，是可以不需要接变压器，直接接到RJ45上，也是能正常工作的。但
是呢，传输距离就很受限制，而且当接到不同电平网口时，也会有影响。而且外部对芯片的干扰也很大。当接了网络变压器后，它主要用于信号电平耦合。其一，可以增强信号，使其传输距离更远；其二，使芯片端与外部隔离， 抗干扰能力大大增强， 而且对芯片增加了很大的保护作用（如雷击） ；其三，当接到不同电平（如有的PHY芯片是2.5V，有的PHY芯片是3.3V）的网口时，不会对彼此设备造成影响。

总的来说，网络变压器主要有信号传输、阻抗匹配、波形修复、信号杂波抑制和高电压隔离等作用。

数据汞也被叫做网络变压器或可称为网络隔离变压器。它在一块网卡上所起的作用主要有两个， 一是传输数据， 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;一是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。

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CMT 两绕组流过的则是大小相等，方向相同的电流，致使CMT 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CMT 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。

PHY的DAC (Digital to Analog Converter)确有电压驱动和电流驱动之分，具体的真的得看PHY的DATASHEET了。但不论电压驱动和电流驱动，PHY端变压器的中心抽头都要接电容来滤波。

重要的是对于电流驱动的 PHY,2线 CMC(COMMON MODE CHOKE) 在PHY端的线路是不适用的，因为电流有可能饱和CMC而使其失去共模抑制作用的。但3 线CMC在PHY端线路因为第三线在原理上等效为自耦变压器就可以。但在一般的绕法下， 2 线CMC的共模抑制能力要比3 线的要好，
原因是在3 线CMC里有磁场抵消。不过特殊的绕法可以避免这一缺点，但本人不便在此透露，因为涉及专利问题。另外， 3 线CMC 的线路能提供更多的线路平衡， 故其不同模信号的转换特性要好， 如果EMI（干扰）有余量而EMS(抗干扰） 有问题，就该考虑用带3 线CMC的变压器。反之如果EMS有余量而EMI 有问题的话，就用带2 线CMC的变压器。如果二者都没余量， 那就需要跟你的供应商具体讨论改善措施了。

a)RJ45和变压器之间的距离尽可能的短，晶振远离接口、PCB边缘和其他的高频设备、走线或磁性元件周围，PHY层芯片和变压器之间的距离尽可能短，但有时为了顾全整体布局，这一点可能比较难满足，但他们之间的距离最大约10~12cm，器件布局的原则是通常按照信号流向放置，切不可绕来绕去；

b)PHY层芯片的电源滤波按照要芯片要求设计，通常每个电源端都需放置一个退耦电容，他们可以为信号提供一个低阻抗通路，减小电源和地平面间的谐振，为了让电容起到去耦和旁路的作用，故要保证退耦和旁路电容由电容、走线、过孔、焊盘组成的环路面积尽量小，保证引线电感尽量小；

c)网口变压器PHY层芯片侧中心抽头对地的滤波电容要尽量靠近变压器管脚，保证引线最短，分布电感最小；

d)网口变压器接口侧的共模电阻和高压电容靠近中心抽头放置，走线短而粗（≥15mil）；

e)变压器的两边需要割地：即RJ45连接座和变压器的次级线圈用单独的隔离地，隔离区域100mil以上，且在这个隔离区域下没有电源和地层存在。这样做分割处理，就是为了达到初、次级的隔离，控制源端的干扰通过参考平面耦合到次级；

f)指示灯的电源线和驱动信号线相邻走线，尽量减小环路面积。指示灯和差分线要进行必要的隔离，两者要保证足够的距离，如有空间可用GND隔开；

g)用于连接GND和PGND的电阻及电容需放置地分割区域。

2.以太网的信号线是以差分对（Rx±、Tx±）的形式存在，差分线具有很强共模抑制能力，抗干扰能力强，但是如果布线不当，将会带来严重的信号完整性问题。下面我们来一一介绍差分线的处理要点：
a)优先绘制Rx±、Tx±差分对，尽量保持差分对平行、等长、短距，避免过孔、交叉。由于管脚分布、过孔、以及走线空间等因素存在使得差分线长易不匹配，时序会发生偏移，还会引入共模干扰，降低信号质量。所以，相应的要对差分对不匹配的情况作出补偿，使其线长匹配，长度差通常控制在5mil以内，补偿原则是哪里出现长度差补偿哪里；

b)当速度要求高时需对Rx±、Tx±差分对进行阻抗控制，通常阻抗控制在100Ω±10%；

c)差分信号终端电阻（49.9Ω，有的PHY层芯片可能没有）必须靠近PHY层芯片的Rx±、Tx±管脚放置，这样能更好的消除通信电缆中的信号反射，此电阻有些接电源，有些通过电容接地，这是由PHY芯片决定的；

d)差分线对上的滤波电容必须对称放置，否则差模可能转成共模，带来共模噪声，且其走线时不能有stub ，这样才能对高频噪声有良好的抑制能力。

 

 

 

 

3.变压器集成在连接器的以太网电路的PCB布局、布线较不集成的相对简单很多，下图 3是采用一体化连接器的网口电路的PCB布局、布线参考图：

 

 

图 3一体化连接器的网口PCB布局、布线参考图

 

从上图可以看出，图 3和图 1的不同之处在于少了网口变压器，其它大体相同。不同之处主要体现在网口变压器已集成至连接器里，所以地平面无需进行分割处理，但我们依然需要将一体化连机器的外壳连接到连续的地平面上。

4.电路滤波设计：

  a) 在差分线上分别串接10R电阻，在分别对地添加5-10pF电容

  b) 变压器电源添加LC滤波，选择600R/100Mhz磁珠和0.01-0.1uF电容

5.电路防雷设计：

    为了达到IEC61000-4-5或GB17626.5标准，共模2KV，差摸1KV的防雷测试要求，成本最低的设计方案就是变压器初级中心抽头通过防雷器件接地，可以选择成本较低的半导体放电管，但是要注意“防护器件标称电压要求大于等于6V；防护器件峰值电流要求大于等于50A；防护器件峰值功率要求大于等于300 W。注意选择半导体放电管，要注意器件“断态电压、维持电流”均要大于电路工作电压和工作电流。 
 根据测试标准要求，对于非屏蔽的平衡信号，不要求强制性进行差模测试，所以对于差模1KV以内的防护要求，可以通过变压器自身绕阻来防护能量冲击，不需要增加差模防护器件。

  1）由于TVS管响应比压敏电阻和气体放电管快，不能将压敏电阻or气体放电管与TVS管直接并联使用，而应在其中间串联uH级别的电感或导线（导线也有寄生电感）；

  2）气体放电管需要续流遮断：即在其吸收瞬态发生短路后要能恢复到开路状态，即在一般使用中气体放电管的直流击穿电压比其并联的信号的工作电压高的多，当由于瞬态干扰气体放电管起作用，发生短路后，短路状态的维持需要一个电压，若信号电压会使气体放电管一直维持在短路状态，时间一长，就会将此信号烧毁，所以要使得信号电压低于维持气体放电管短路状态的电压。

6. 辐射与ESD：

    a) 指示灯走线和电源上都加磁珠,磁珠靠近接口，然后限流电阻靠近PHY芯片，并添加电容滤波。

7. PCB布局布线原则：

     7.1 变压器未集成到RJ45接口的：

    

1）变压器与RJ45之间，PHY层芯片与变压器之间的距离应控制在1inch

内。当布局条件限制时，应优先保证变压器与RJ45之间的距离在1inch内。

2）、器件布局按照信号流向放置，切勿绕来绕去。

3）、变压器下方的地平面要分割，分割线宽度不小于100MIL，网口变压

器放置在GND和PGND的分隔线上。

4）每对差分走线都要控制走线长度一致，

同时注意控制阻抗为50欧姆。

5）注意PHY层芯片的的数字地和模拟地统一，数字电源和模拟电源使用

磁珠进行隔离。同时要与变压器配合。注意PHY芯片的电源滤波，按照芯片要求设计。

6）、网口指示灯的电源线3.3V或者2.5V来自于电源平面，要对它们使用

磁珠和电容进行退耦；指示灯驱动线要靠近PHY串连电阻，并在进入I/O区域之前进行电容滤波。这样防止噪声通过指示灯电源线耦合到差分线对区域。

7）、指示灯电源线和驱动信号线要靠近走线，尽量减小环路面积。

8）、指示灯线和差分线对要进行必要的隔离，两者要保证距离足够远，如果必要使用GND平面进行隔离。

9）、注意网口变压器芯片侧中心抽头对地的滤波电容要尽量靠近变压器

管脚，保证引线最短，分布电感最小。

10）、用于连接GND和PGND的0欧姆电阻或者电容要放置在地分割线上。

11）、PHY芯片的模拟电源不要占用大面积平面，从局部铜皮通过走线、

磁珠、走线拉到变压器芯片侧中心抽头上。

12）、PHY芯片与变压器之间已经没有VDD，将PHY芯片与变压器之间的平

面层区域定义为GND，这样可以切断来自VDD平面的噪声途径。

13）、沿 单 板 PCB的 边 缘（不用包住PGND，见图8）每隔250mil打一个接地

过孔，这些过孔排可以切断单板噪声向外辐射的途径，减小对PGND静地的影响。

14）、单 板 的 PGND、GND通过 镙 孔 和 结 构 相 连 接，保 证 系 统 地 电 位 的 统 一。

15）、保  证  电  源  平  面  和 地  平  面  之  间  的  良  好 退  耦  （低  阻），电  源  平 面 最 好 和

地平面相邻。

16）、和电源平面相邻的信号线不要超出电源平面的投影区域。

17）要保证和电源平面相邻的信号线的回流路径的完整性，

否则就要改变平面的形状，使得信号线处在平面层内，回流路径的不完整会带来严重的EMC问题。

18）、推 荐 把 所 有 的 高 速 信 号 线 、I /O 线 、差 分 线 对 优 先 靠 近 地 平 面 走 线 ，如果无法实现才以电源平面作为参考平面。

19）、差分线要远离其它信号线，放置其它信号线把噪声耦合到差分线上。

20）、为了减小差分信号的噪声，数字信号线或电源要远离模拟信号线或电源。

21）、电源的去耦和旁路是十分重要的，它们可以为信号提供一个低阻抗通路，减小电源和地平面间的谐振。电容可以起到去耦和旁路的作用，但要保证退  耦  和 旁 路 电 容 由 电 容 、 走 线 、 过 孔 、 焊 盘 组 成 的 环 路 的 面 积 尽 量 小 ， 保 证 引 线 电感尽量小，见下图所示

  图9 退耦电容的环路面积

  图10 变压器中心抽头共模电容的布局布线对比图 

7.2、采用一体化连接器的网口电路PCB布局、布线规则

 

下面只针对不同点进行描述。

1)网口变压器是隔离器件，用于切断共模，因为已经被集成在连接器里，所以地平面不再进行分割处理。

2)一体化连接器的外壳应该连接到连续的地平面上。不要在连接器下面创建机架地。

3)单板周围每隔250mil打接地过孔，将单板噪声屏蔽在板内。

 

 

 

很重要的一点（借鉴与电脑主板设计）：对于裸露在机箱外的接地设备的金属外壳需要打接触放电（如232 USB 以太网接口等），他们的信号线的防护措施如GDT 压敏 TVS等要接到金属外壳即大地，泄放到大地（接地设备的金属外壳一般接大地）