text: 网络变压器的工作原理
  在有线局域网中，服务器、路由器、集线器、计算机等设备之间都是通过非屏蔽双绞线(Unshielded Twisted Paired，UTP)来连接的，但是由于这些设备可能会被安装在不同大楼，最远距离可达100m，如果此时将处在两地的电子设备直接连接会带来较多问题。为了解决上述问题，需要在UTP和PHY芯片之间引入一个器件，用于信号耦合、高压隔离、阻抗匹配、电磁干扰抑制等，这个器件就是网络变压器。网络变压器基础三大件为：T件(Transformer，变压器)、K件(Common mode Choke，共模扼流圈)、A件(Center Tapped Auto-Transformer，中心抽头自耦变压器)；根据组合方式不同，网络变压器又分为：单T件网络变压器、T件+K件网络变压器、T件+三线穿环K件网络变压器和T件+K件+A件网络变压器。顾名思义，单T件网络变压器就是由一个1:1的变压器组成。根据变压器电磁耦合的原理，当平衡信号作用于双绞线(UTP)上时，变压器初级上可以无损地感应出同等大小的信号，从而实现信号的传输。另外网络变压器还可以阻断EMI在其初级-次级线圈之间互相传播。当EMI作用于双绞线(UTP)上时，由于双绞线的特点，Pin6和Pin4上EMI电压的波形可以认为完全相同，所以它们在次级上、下两个线圈中引起的电流大小相等、方向相反，因此两电流在磁环内引起的磁通变化互相抵消；磁通变化为零，意味着次级上、下两个线圈对EMI信号呈现的感抗为零，所以EMI信号可以无损地通过线圈到中间抽头，再经过R1、C1串联电路泄放到地线。同理，来自设备内部的EMI信号也会通过初级线圈的中间抽头和C2泄放到地线，从而减少了设备通过UTP对外发射地EMI幅度。因为非理想变压器存在寄生电容，EMI信号会有部分通过寄生电容耦合到变压器的初级端；所以为了进一步阻断EMI在初级-次级线圈之间互相传播，可以在单T件网络变压器的基础上，再在变压器的初级端或次级端串联一个K件(Common mode Choke，共模扼流圈)，这就是T件+K件网络变压器。当平衡信号通过K件时，K件上、下两个线圈中的电流大小相等、方向相反，即两电流在K件磁环内引起的磁通变化互相抵消；意味着K件对平衡数据信号呈现的感抗为零，所以数据信号可以无损地在K件中传输。当EMI信号通过K件时，K件上、下两个线圈中的电流大小相等、方向相同，即两电流在K件磁环内引起的磁通变化相互叠加，意味着K件对EMI信号呈现一定的感抗，所以EMI信号通过K件时会产生较大的衰减。K件对EMI信号呈现的感抗大小为： 式中：  为EMI信号的频率；  为K件的感值(约为10uH)。K件放置于线路侧虽然可以较好的抑制EMI干扰，但是由于增加了共模电感的阻抗，会影响到变压器中心抽头的75R端接效果，所以对于电压型的PHY，一般选用共模电感在PHY侧的网络变压器；另外，若使用POE，共模电感在线路侧会因为POE的供电电流而导致磁饱和，使得共模抑制效果大大降低，所以POE场景也不能使用共模电感在线路侧的变压器。但是对于电流型的PHY，则不能将共模电感放置在PHY侧。当正常数据信号的瞬时电流通过其中一个线圈或者两个线圈时，K件磁环内部磁通变化不为零，意味着K件会对正常信号产生一个高阻抗，从而影响正常信号的传输。对于电流型的PHY芯片，K件放置于PHY侧会影响信号传输，而K件放置于UTP侧又会影响中心抽头的阻抗匹配，所以为了解决该问题，设计师设计出T件+三线穿环K件网络变压器，这种网络变压器的K件是由三根引线一起并行在磁环上穿绕同样匝数而得到的。当T件+三线穿环K件网络变压器应用于电流型PHY场景时，正常数据信号的瞬时电流从Vcc端流出，经过中间的线圈后再通过上、下两个线圈进入PHY芯片中，但三线穿环K件中的总电流总是为零，即总磁通变化也为零，所以数据信号可以无损地在三线穿环K件中传输。三线穿环K件的缺点就是EMI信号也可以无损通过。当共模EMI电流通过三线穿环K件时，同理，三线穿环K件上、中、下三个线圈中的总磁通变化为零，所以无法对EMI信号起到衰减作用。既想将K件放置于UTP侧，又不想影响阻抗匹配，这时就可以在K件和UTP之间再增加一个自耦变压器，这样就形成了T件+K件+A件网络变压器。当平衡数据信号经过自耦变压器上、下两个线圈时，其电流方向相同，即两电流在A件磁环内引起的磁通变化互相叠加；意味着A件对数据信号呈现的感抗很大，不会影响正常数据的传输。而EMI信号经过自耦变压器上、下两个线圈时，其电流大小相等，方向相反，所以它们在A件磁环内部引起的磁通变化互相抵消，意味着A件对EMI信号呈现的感抗为零，可用两根短导线代替其上、下两个线圈，所以EMI信号将通过中心抽头、R1-C1串联电路泄放到地线上，从而降低了UTP传送到网卡上的EMI幅度(A件泄放EMI的原理与T件次级线圈相同)。注意：网络变压器中的K件和A件虽然都能阻断EMI在UTP与网卡之间互相传播，但是它们对数据电压信号也有一定的负面作用，因为K件和A件都具有寄生和分布参数。例如，K件和A件各自两个线圈之间都有线间电容，这些电容都是并联在Ping6-Pin4两端点的，在网络变压器输出或输入端并联电容，必定会压缩其高频端的频带。网络变压器的频带变窄，将使数据信号的上升沿和下降沿变慢，最终导致传送速率降低。 因此，在网络变压器中安排一个K件和一个A件，或者在其T件初级侧、次级侧各安排一个K件就足够了，如果再增加K件或A件的数目，不仅增加生产成本，还会降低数据传输的速率。 由于T件次级线圈起到A件的作用，所以目前市面上大多数网络变压器是由T件和K件组成的。想要了解更多硬件设计知识，关注我的微信公众号：龙猫讲电子声明：本号对所有原创、转载文章的陈述与观点均保持中立，推送文章仅供读者学习和交流。文章、图片等版权归原作者享有，如有侵权，联系删除。