一文詳細(xì)了解LAN變壓器

網(wǎng)絡(luò)變壓器：如何用“小”改變，玩轉(zhuǎn)大市場(chǎng)？

【導(dǎo)讀】憑借著性能出色、連接簡(jiǎn)單、生態(tài)完善等優(yōu)勢(shì)，以太網(wǎng)已經(jīng)成為了局域網(wǎng)（LAN）領(lǐng)域通用的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，并伴隨著數(shù)據(jù)消費(fèi)量的迅速增長(zhǎng)，不斷快速演進(jìn)。

今天以太網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，體現(xiàn)在三個(gè)方面：

● 性能越來(lái)越高：目前10/100Gbps的以太網(wǎng)已經(jīng)成為主流技術(shù)，400Gbps技術(shù)也已經(jīng)在跑步趕來(lái)。在提升傳輸速率這件事上，以太網(wǎng)從未放慢腳步。

● 應(yīng)用越來(lái)越廣：除了數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域外，以太網(wǎng)還正在進(jìn)入工業(yè)自動(dòng)化控制、車(chē)載網(wǎng)絡(luò)這些對(duì)實(shí)時(shí)性、確定性要求苛刻的領(lǐng)域。TSN（時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò)）等技術(shù)正在努力讓以太網(wǎng)去適應(yīng)這些新場(chǎng)景的要求，單一以太網(wǎng)架構(gòu)“一統(tǒng)天下”的局面正在成為現(xiàn)實(shí)。

● 功能日趨多樣化：除了傳輸數(shù)據(jù)外，藉由以太網(wǎng)供電（PoE）技術(shù)，以太網(wǎng)在同一介質(zhì)上也可承擔(dān)電能傳輸職責(zé)，這就使得以太網(wǎng)終端設(shè)備的部署更容易，也讓以太網(wǎng)的觸角可以延伸到更多地方。

不難判斷，以上三個(gè)趨勢(shì)決定了在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，以太網(wǎng)端口的增長(zhǎng)還將保持相當(dāng)大的加速度，而相關(guān)元器件的需求也會(huì)持續(xù)看漲。本文就將聚焦在其中的一顆料上——它在BOM中似乎不那么搶眼，但在每一個(gè)以太網(wǎng)連接端口中卻是不可或缺的存在——它就是網(wǎng)絡(luò)變壓器（也被稱(chēng)為“LAN變壓器”）。

LAN變壓器的作用

LAN變壓器是一個(gè)磁性模塊，它通常作為連接物理層（PHY）收發(fā)器和RJ45連接器的接口，主要起到信號(hào)調(diào)理和隔離的作用，以實(shí)現(xiàn)更高的信號(hào)質(zhì)量，保證更可靠的網(wǎng)絡(luò)連接。

具體來(lái)講，LAN變壓器與我們所熟悉的變壓器工作原理相同，是將PHY傳輸來(lái)的差分信號(hào)通過(guò)電磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)換耦合到連接網(wǎng)線的另外一端。在這個(gè)看似“簡(jiǎn)單”的過(guò)程中，LAN變壓器卻發(fā)揮著很重要的作用：

● 通過(guò)將來(lái)自PHY的差分信號(hào)用差模耦合的線圈耦合濾波，LAN變壓器可以讓信號(hào)增強(qiáng)，支持更遠(yuǎn)的傳輸距離。

● 通常情況下，以太網(wǎng)端口兩側(cè)的設(shè)備電平是不一致的，如果直接相連的話，可能會(huì)導(dǎo)致較大的電流從電勢(shì)高的設(shè)備流向電勢(shì)低的設(shè)備，造成設(shè)備損壞；同時(shí)，線路上的瞬態(tài)能量變化——如電磁感應(yīng)和靜電等——也會(huì)被傳導(dǎo)給其他設(shè)備，這很容易損壞芯片等敏感器件。而LAN變壓器可以起到隔離作用，提升系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性和可靠性。

● 當(dāng)共模信號(hào)經(jīng)過(guò)隔離變壓器時(shí)，由于線圈兩端的電壓極性相同，不會(huì)形成電流，也就不會(huì)將共模信號(hào)傳遞至次級(jí)線圈，因此LAN變壓器對(duì)共模干擾可以起到抑制作用。對(duì)于通過(guò)線圈間的耦合電容通路傳遞到次級(jí)的共模噪聲，可以將共模扼流圈與LAN變壓器配合使用來(lái)加以抑制，提升信號(hào)的質(zhì)量。因此，在抑制EMI干擾，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)境方面，LAN變壓器也能夠扮演重要的角色。

圖1：LAN變壓器的典型應(yīng)用

（圖源：Bourns）

LAN變壓器的短板

傳統(tǒng)的LAN變壓器通常由脈沖變壓器（T1）和共模扼流圈（T2）兩部分組成，這些纏繞著漆包線的鐵氧體磁芯被集成在一個(gè)帶有端子引腳的塑料外殼中，形成一個(gè)完整的模塊。

圖2：傳統(tǒng)LAN變壓器模塊

（圖源：Bourns）

細(xì)心的小伙伴可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)LAN變壓器采用的是環(huán)形鐵氧體磁芯（T型磁芯）。之所以會(huì)選擇這種磁芯，是因?yàn)槠鋵?duì)稱(chēng)的閉環(huán)結(jié)構(gòu)能夠盡可能降低磁通量外漏，因此具有更高的效率，且對(duì)外輻射的EMI也更少，性能上的優(yōu)勢(shì)明顯。

不過(guò)凡事都有利有弊，采用T型磁芯的傳統(tǒng)LAN變壓器雖然性能好，但是在制造時(shí)不可避免地會(huì)在繞組過(guò)程中使用大量人工，無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。這一方面不利于提升生產(chǎn)效率和減低生產(chǎn)成本，另一方面手工繞組也比較難于確保產(chǎn)品在電氣性能上的一致性，造成傳統(tǒng)LAN變壓器在傳輸質(zhì)量上的“不均勻性”。此外，由于傳統(tǒng)LAN變壓器是將變壓器和共模扼流圈兩個(gè)磁性元件封裝在一起的模塊，元件的體積較大，對(duì)PCB設(shè)計(jì)上的要求也更高。

上述這些傳統(tǒng)LAN變壓器的短板，在以前也許還可以“忽略”，但是隨著以太網(wǎng)端口數(shù)量飛速增長(zhǎng)，開(kāi)發(fā)者除性能之外，對(duì)于成本、交期、元件尺寸和易用性等其他因素勢(shì)必會(huì)有更高的訴求，因此彌補(bǔ)傳統(tǒng)LAN變壓器短板，開(kāi)發(fā)出一種替代解決方案勢(shì)在必行。

片式LAN變壓器的優(yōu)勢(shì)

能夠滿足新趨勢(shì)下新要求的替代品，就是片式變壓器。

圖3：片式LAN變壓器

（圖源：Bourns）

與傳統(tǒng)LAN變壓器采用環(huán)形磁芯、多個(gè)磁性元件集成封裝的架構(gòu)相比，片式LAN變壓器的變化主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：

● 其一，片式LAN變壓器采用的磁性結(jié)構(gòu)是：先將線圈纏繞在鼓形磁芯上，再通過(guò)覆蓋鐵氧體板來(lái)“模擬”環(huán)形磁芯的閉合磁路，以達(dá)到可與傳統(tǒng)LAN變壓器比肩的性能。如果配合片式共模扼流圈（共模電感）使用，還可以實(shí)現(xiàn)出色的EMI抑制。

● 其二，片式LAN變壓器是一個(gè)中心抽頭的分立磁性元件，這就使得其外形更為輕薄，相較于傳統(tǒng)的集成模塊方案，可以為PCB布局布線帶來(lái)更大的靈活性。

這種架構(gòu)設(shè)計(jì)上的變化，帶來(lái)的顯著優(yōu)勢(shì)還在于——它使得在繞組過(guò)程中采用自動(dòng)化先進(jìn)技術(shù)成為了可能，這種基于全自動(dòng)生產(chǎn)的表面貼裝磁性元件在很大程度上克服了傳統(tǒng)LAN變壓器需要人工生產(chǎn)、產(chǎn)品穩(wěn)定性低的缺點(diǎn)，大大提高了產(chǎn)品品質(zhì)和一致性，縮短了交付周期，也為后續(xù)大批量自動(dòng)化的SMT裝配提供了便利。

圖4：傳統(tǒng)與片式LAN變壓器（模塊）的性能比較

（圖源：Bourns）

Bourns片式LAN變壓器方案

正是因?yàn)槠絃AN變壓器在實(shí)際應(yīng)用和可靠性方面上具有突出優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了高性能，因此近年來(lái)一直是磁性元件界的明星產(chǎn)品。而B(niǎo)ourns公司近期推出的兩款屏蔽式千兆以太網(wǎng)片式LAN變壓器系列，可謂是“明星中的明星”。

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這兩款片式LAN變壓器包括SM453230-121N7YP和SM453230-231N7YP兩個(gè)系列，均是外形緊湊、應(yīng)用靈活的分立式解決方案。

圖5：SM453230-x1N7YP片式LAN變壓器

（圖源：Bourns）

其中SM453230-231N7YP支持1/2.5/5Gb的以太網(wǎng)，而SM453230-121N7YP則可支持10Gb的網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，該產(chǎn)品能夠提供1500VAC / 60s的高壓隔離并承受高達(dá)2400V、1.2/50μs的脈沖電壓沖擊，支持-40°C至+85°C的寬溫范圍，因此非常適用于高速電信和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備產(chǎn)品。

值得一提的是，SM453230-x1N7YP片式LAN變壓器還可以支持PoE+以太網(wǎng)供電標(biāo)準(zhǔn)，能夠提供700mA的電流。要知道，想具備PoE+規(guī)定的通流能力以及DC偏流的承受力，就需要解決線圈發(fā)熱和磁芯飽和的問(wèn)題，顯然Bourns的方案在這些方面都已經(jīng)有了很好的對(duì)策。

圖6：SM453230-x1N7YP片式LAN變壓器框圖

（圖源：Bourns）

在EMI抑制方面，SM453230-x1N7YP片式LAN變壓器為用戶提供了兩種選擇：用戶可以搭配使用Bourns推薦的片式共模扼流圈（見(jiàn)圖7）來(lái)減少EMI干擾；即使沒(méi)有額外的共模濾波器，中心抽頭也可實(shí)現(xiàn)不錯(cuò)的共模抑制效果，以簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)者在EMC設(shè)計(jì)上的工作。

圖7：SM453230-121N7YP和SM453230-231N7YP片式LAN變壓器特性比較（圖源：Bourns）

表1：SM453230-x1N7YP片式LAN變壓器規(guī)格

（資料來(lái)源：Bourns）

本文小結(jié)

最后總結(jié)一下：以太網(wǎng)作為當(dāng)今數(shù)字時(shí)代的骨架，隨著人們對(duì)于數(shù)據(jù)消費(fèi)量的不斷攀升，也在勢(shì)不可擋地快速發(fā)展，由此生發(fā)出的新需求傳導(dǎo)到LAN變壓器這個(gè)微小的磁性元件上，也會(huì)在可制造性、質(zhì)量的一致性、成本、交期等方面形成不小的挑戰(zhàn)。

從傳統(tǒng)的LAN變壓器向片式LAN變壓器的轉(zhuǎn)變，可以很好地契合以太網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)的要求，用一個(gè)看似“微小”的改變，去玩轉(zhuǎn)一個(gè)仍在不斷擴(kuò)張、體量巨大的市場(chǎng)。

審核編輯：湯梓紅