网络变压器和连接器的设计及应用

1、.网络变压器和连接器的设计及应用 网络变压器设计原理和连接器应用 编制：宋 连康科技有限公司培训教材 迁 审核： 核准： 简 介 A.变压器的最基本型式包括两组,绕有导线之线圈,并且彼此以电感方式耦合一起,当一交流 电流(具有某一己知频率)流于其中之一组线圈时,于另一组线圈中将感应出具有相同频率之 交流电压,而感应的电压大小取决于两线圈耦合及磁交链之程度,变压器区分为升压与降压 变压器两种,大部分的变压器均有固定的铁芯,其上绕有一次与二次的线圈. 变压器之主要构造可分为下述三项: 铁芯由:铁钴、镍等合金之导磁材料构成,作为导磁回路籍以增强电磁感应作用,提高变压 器之电磁转换效率. 线圈:以铜铝

2、及其合金作成导电回路,围绕于铁芯之上,用来传送输入及输出之电流. 绝缘物:包含各种固态、液态及汽态之不导电绝缘材料.如纸，纱,漆,陶瓷,树脂及 N2,CO2,SF6 等汽体.用以支持隔离导电回路及协助散热,冷却. 2.变压器分类: 依频率分为:高频变压器 低频变压器 音频变压器 . 依材料分为:矽钢片变压器 镍钢片变压器 IRON POWER变压器 KOOL变压器 矽钢卷变压器 Ferrite变压器. 依功能分为:低频电源变压器 高压变压器 线性滤波器 镇流器 高频电源 变压器 电流变压器 DC/AC逆交变压器 网络变压器 通讯变压器 通信 变压器 (11)匹配变压器. 在通讯网络或局域网中，

3、变压器经常被用在电路的物理层部份或模拟部份，主要起隔离、滤 波、阻抗匹配以及倒相作用，优化电路以求信号在传输过程中有最小的损失从而达到最佳的 信号传输效果。 近年来由于网络通讯的飞速发展，网络变压器发展尤为迅速，市场需求量十分巨大，在ISDN、 10/100/1000BASET以太网、ADSL/VDSL、T1/P1上都有大量的使用。 二变压器的基本工作原理 1器的基本原理图如（图二），当给变压器初级绕组加上电压Ui时，在该绕组中产生电流 i1，电流i1建立了沿铁芯磁路而闭合的磁通0，该磁通同时也穿过次级绕组，并在次级绕 组中产生感应电动势E2。 按电磁感应定律可得： 对于理想变压器来说：120

4、当 Ui为直流电压时，磁通量0的变化率趋近于0，即所以E20，故变压器对直流信号相当于开路，有良好的隔离效果。 当Ui为交流电压时，感生电动势随着磁通量变化而变化，磁通量变化得越快，感生电动势也就越大，磁通量变化得越慢，感生电动势也就小，感生电动势的有效值为： E1=4K? N1BmSC×10-4 E2=4K? N2BmSC×10-4 E1：初级自感电动势（V），对于理想变压器（不考虑线路、铁芯和漏磁的损耗）这个电动势与电压Ui的大小相等，方向相反，即E1-Ui； E2：次级互感电动势（V）； K：电压的波形因数，对于正弦波，K1.11，对于方波，K1； ?：交流电压Ui的

5、频率（HZ）； N1：初级线圈的圈数； N 2：次级线圈的圈数； Bm：磁感应强度的幅值（T）； SC：铁芯有效横截面积（CM2）。 由此可得： 即变压器初、次级两端的感生电动势之比等于初、次级圈数之比。 对于理想变压器来说，因为不考虑绕组的铜损和铁芯的铁损，且假设穿过初级绕组的磁通也完全穿过次级绕组，则根据能量守恒定律可知：变压器的初级绕组的输入功率等于次级绕组的输出功率，因此： P1P2； I1*E1I2*E2；则有： 即流过变压器初、次两级的电流之比等于初、次两级圈数的反比。 变压器初级阻抗为Z1，次级阻抗为Z2，则： = Z2 I2 数 M：是互感系数 对于理想变压器来说，初、次两级间

6、的感生电动势是相等的，即u1(t)=u2(t)。 ? 对网络通讯用的磁性器件,广义的理解是指网络通讯设备所需要使用的磁性器件,第 一:包括POWER电源部(包括电源上所使用的功率变压器,输入输出电感,电流互感器,差共模滤波器等);第二;数据传输部份,相对前者,对功率密度的要求被宽带可靠传输数据信号要求所取代.因此,相应对磁性器件的要求就有很大差别,二者的设计理论也是截然不同的.第三:随着电磁噪声的是益恶化和相关标准的强制执行,怎样以最佳的性价比和最小的空间占用解决电磁兼容问题,也越来越成考虑的重点之一,除了要求对系统干扰源进行诊断和定位外,从器件级的角度进行合理的器件设计也成为解决电磁兼容重要

7、一环.因此,对磁性材料的合理选择成为器件设计的关键,下面,分别就以上三方面进行具体的讨论. ? 第一部份:POWER部份 ? 随着通讯的发展,对电源的要求向更高功率密度,更大电压和更大电流方向发展,限 制开关电源小型化,高频化的主要因素是电感变压器等磁性器件和有源开关管及二极管.从磁性元件角度考虑,由于工作频提高,电源主变压器的设计对磁芯的选择提出了新的要求,对DC-DC模块来讲,开关频率己经达到400KHZ以上,在这一频率使用低导磁系数的材质己经达不到要求,同时对于输出电感,由于直流偏置特性要求,同粉芯材料相比,铁氧体的饱和磁感就强度(Bs)较低,直流偏听偏置(DC-BIAS)能力较差,当不

8、能满足降低器件高度和体积的要求时 ? 必须使用MPP(钼铍合金),铁硅铝,HIGH FLUX(高磁通磁芯)以及铁粉芯,同时,采用扁 平螺旋绕线技术,达到减小绕组空间和增加可靠性.目前,美国普思,美国线艺,日本松下等国外知名变压器公司都在大电流输出平面电感方面有批量产品供应,在这些产品中,有采取复合磁芯,底座采取绝缘的NiZn,顶部采取铁硅铝平螺旋电感,如图一所示: ? 上面的最大额定电流可达30A,也有采取塑胶骨架,铁硅铝作磁芯的电感,.引线接头采取压接工艺,即满足了大电流的要求接触电阻和高可靠性的要求,以满足环保无铅的要求,还有采用作绝缘处理的粉芯材料一次冲压成型的一体化电感,由于无需骨架,

9、线圈先单独绕制,再一次成型,不但高度更低,而且,噪声更低,可靠性更高,瞬态电流抗饱和性更强.其电最大额定电流 可达60A,瞬太磁芯饱和和电流可达120A,同时涡流损耗很低,工作频率可以达到5MHZ,如下 在变压器方面,平面变压器应该是通讯业变压器发展的趋势,目前,象日本TDK,飞磁,开发出了各种平面磁芯,以满足市场需求,比如,针对板上型磁芯board mounted power supply(即变压器绕组直接设计在电源主板的多层PCB上,磁芯直接粘在主板上即可),国际电工委员会(IEC)出台的标准61860中,磁芯中柱类似椭圆,即减小了主板的开口,因此Rdc/L更小,使得变压器的铜损更低,响应

10、面积,又减小了每匝线圈的长度,布线的允许宽度也增加更好.如下图所示: 目前,互联网发展日新月异,我国互联网同欧美相比,相对比较晚,对我们来说未必不是好处,这样可以减速少很多弯路,涉及到电磁电感变压器的网络结构中包括传输网,交换网和接入网,从现在来看,接入网发展速度非常快,从传输介质来看,可以分为光纤技术,混合光纤同轴电缆接入技术,铜线接入技术,目前,由于铜线接入技术能够利用传统的公共交换电话网的电话线,具有较好的性价比,比较适中国国情而己发展速度快,目前ADSL接入网的发展速度非常快,可以预见的是,VDSL的大规模发展己经不远了,而其中涉及的宽带变压器是最关键的器件,要求较高的传输速带宽,而对

11、功率要求却不高,以下就宽带变压器的设计中磁芯的就用作一简要论述. 基本理论: 宽带变压器属于绕线式设计的磁性器件,在宽带频率范例办进行能量传输,绝大多宽带变压器广泛应用在各种低功率的电信通讯设备方面 上图表示了宽带变压器的插损-频率曲线的典型特性,变压器的带为f2与f1之间的频率间隔,或者是f2与f1之间的频率间隔,从图上可以看出,具有陡峭的截止频率特性曲线的带(f2- f1)比平坦陡峭频率特性(f2- f1)更窄,从图上也可以看出,三个频段分别被表示出来,宽带变压器的截止频率根据具体的变压器的设计要求来决定,因此,下限频率f1可以高于10MHZ,也可以低于300HZ,带宽也可能从几百赫兹到几

12、百兆赫,宽带变压器设计的一个典型指标是中频带内的最大插损和截止频率处的最大允许插损,下图是一个变压器的集总参数等效原理图,将电路看成一理想变压器,包含等效寄生电阻和感抗,副边元件己经转换到原边,包括寄生和负载阻抗 为了简化电路,将原副边结合,简化的等效电电路如上图,参数的物理意义列在等效电路下面,在低频区,传输特性变坏是由于低频区较低的激励阻抗阻所致,激励阻抗随着频率的降低而下降,导致信号衰减加,激励阻抗中,原边励磁电感Xlp占主要部份,忽略了产生漏电流的等效并联损耗电阻,因此,插入损耗以原边并联励磁电感如下: 在大多数宽带变压器设计中,在中心通频带内影响传输性能的主要是线圈电阻,由于线圈电阻

13、影响的插入损耗表达式下如下这里的RC=R1+R2 在高频频段,传输特性主要受到线圈漏感和匝间分布电容的影响,此时,通常情况下线圈励磁电感和线圈电阻都必须考虑,取决于电阻的阻抗特性,在低阻抗电阻中,由于漏感导致的高频信号衰减表示如下: 在高抗阻电路中,由于分布电容导致的高频信号衰减表示如下： 回顾以上三个频段的插入损耗特性,可以得出以下结论:在变压器设计中,铁氧体磁芯的材料和形状决定最低截止频率处f1的每匝最高电感量,也就决定了低频处达到设计要求的电感量所需要的最少线圈匝数,较少的线圈匝数恰好是中心频段达到低损耗要求所希望的,也有利于满足频率高端f2好的频率响就所需要低的绕组寄生参数要求. 在磁

14、芯上绕一匝的直流电阻和电感量的比值必须尽量小,国际电工委员会在IEC60133号文件里己经设计定义了最小的R dc/L值的罐型磁芯,其它形关诸如EP型和PQ型磁芯也能够用于宽带变压器设计中,通常情况下,最后选择何种磁芯中还会受到诸如线圈绕制的难易,线圈端头处理和其他机械设计的约束限制 . 带静态直流偏置磁场的宽带变压器在设计带静态直流偏置电流的变压器时,通过开气隙磁芯来克服电感的跌落,通过厂家提供的汉纳曲线可以帮助我们评估直流偏置对电感量的影响. 低频和中频频段宽带变压器 在宽带变压器的应用设计中,比较合适的磁芯是在低端下限频率处有尽量高的初始磁导就率的MnZn材料,比如磁导率为5K或7K,非

15、常适合用于低频和中频宽带变压器的设计中,一般来说,变压器并联励磁电感并不是最关键的参数,只要随着频率的提高,磁芯材料的磁导率为常数或者减小的速度比频率提高的速度慢即可,可以肯定的是,设计变压器时,只要下限频率f1在MnZn铁氧体的u i f曲线的平坦部份即可,虽然在变压器的整个通频带内,磁性材料的磁导率己经减小,但实际上对变压器的通带特性没有影响,在宽带变压器的设计过程中,MnZn铁氧体的几何尺到此寸应该尽量减小线圈电阻和电感之比,即Rdc/L,换句话说，虽然对高中低频并没有一个明确的划分,但我们常使用锰锌或NiZ 作为高频宽带变压器设计的磁计,主要是指带宽超过500khz以上的宽带变压器,在

16、这段频就率范围内,考虑磁芯材材的复数磁导率特性很重要,而不象在低频设计变压器,比如感因子AL.还有很重要的一点必须考虑到,那就是高频段变压器通常于用低阻抗电路中,因此,要求激励阻抗比较低,这就意味着需要的线圈的匝数较少,因此,线圈电阻变得更小,对器件性能的影响变得不再重要,设计准则即最小化R dc/L不再考虑,此时设计的重点在磁芯形状和在下限频率f1到达要求的激励阻抗的同时尽量减小绕组的漏感所要求的磁性材料特性.即然材料的磁导率特性以及磁芯损耗直接影响激励阻抗的大小,因此,在高频频段宽带变压器的设计过程中必须考虑到这些参数的影响,下图是磁芯的阻抗,等效并联感抗XP以及等效并联损耗电阻RP的频率

17、特性. 对高频频段带宽变压器来说,环形磁芯是最佳选择,达到要求的电感所需的匝数较少,绕制也比较容易,然而,较少的匝数对于获得期望的阻抗变比带来一定的难度,为了最小化线圈的漏感,建议副边采取双绞线形式以达到原副边的紧密藕合.还可以利用多孔磁芯取代相邻的两个磁环改善磁环的性能,同相等的尺寸因子C1的单磁环相比,多孔磁芯具有更短的每匝线圈长度,所以设计的变压器具有更高的带宽,许多宽带变压器利用N I Z n铁氧体取得了良好的效果,如果利用单磁环达不到要求的带宽,可以使用多孔N I Z n铁氧体来设计. 总结: 变压器的下限频率f1特性是选择铁氧体最重要的因素,在f1频率处要求有尽量高的初始磁导率,M

18、nZn材料下限频率F1低于500khz的变压器设计,超过这个频率,必须使用NiZn材料.在低频和中频频段,选取磁芯外形的规则是使每匝线圈的直流电阻尽量小,如果电路要求有直流偏置电路,可以参照汉纳曲线选取开气隙磁芯,在高频频段,选择NiZn铁氧体材料,和多孔磁芯为优选的的磁芯外形.;线圈的匝数尽量小以便降低漏感和匝间分布电容,原边和副边绕组通过双绞线达到紧密耦合以减速小漏感. 对ADSL网口变压器,目前普遍选择的是EP(EP13/EP10/EP/7)磁世.在信号传输中,必须要求阻抗匹配,以降低信号的反射和振荡,同时,由于磁芯磁化的非线性,会产生高次谐波,如何降低谐波是提高网络转输质量的关键数,因

19、此,磁芯的总谐波失真THD必须尽量小,对于磁芯工作在小信号情况下,一般使用高磁导率和适当的开气隙,通过理论推可知,谐波中偶次谐波正好抵消,只有奇次谐波,而三次谐波占绝大部份,因此,只要减小三次谐波的幅度,THD即可明显降低,因此,对磁芯材料厂家来说,如何调材配方和烧结工艺以降低三次谐波变得非常重要： 同时,为了进一步降低THD,磁芯厂家对磁世的外形结构也作了优化, 如下图所示中心柱类似 椭圆的EPO或EPX磁芯,通过这种改进,THD得到一步改善. ADSL/Cable路由器的应用和普及随着宽频上网的普及和价格的下降，越来越多的中小企业和家庭使用ADSL或Cable Modem来上网。在此情况下

20、，为使企业或家中多台电脑组成的小型局域网接入互联网，使用ADSL/Cable路由器是最佳选择。ADSL/Cable路由器可支持多达二百多个用户，可配置为DHCP服务器，且可作为您的局域网上唯一能被外部识别的互联网网关；您还可以通过配置限制内部用户访问互联网，路由器内建的防火墙还可以抵御黑客的入侵,下面以台湾产的EA-2204型ADSL/CABLE路由器为例. RTL8305S的每一个端口均可持100Mbps的100BASE-TX高速以太网传输或10Mbps-T的以太网传输。在EA-2204路由器电路中，其第5端口设定为一个MII(独立媒体接口)来衔接微控制器S3C4510B中的以太网控制器。R

21、TL8305S提供自动协商电路，自动设定是100Mbps或10Mbps,全双工或半双工是否进行流量控制。 RTL8305S的一个重要特点是提供了连接（LINK），激活，冲突，全双工，10Mbps或100Mbps的指示灯功能。通过LED显示，使用者很容易判断网络的连接状态，RTL8305S 集成 度高，耗电小，采和128脚的封装，如上图所示。 下图为RTL8305S连接局域网的示意图，图中所示为一个LAN端口，EA-2204共4个LAN端口，左边为RTL8305S，中间了隔离变压器，右边为RJ45插座，通过双绞线连接到局哉网。 该模块中共有四个通道（8路，每通道二路，一路接收，一路发送，每通道对

22、应一个RJ45端口）。每路的作用有两个，一是将路由器和局域网间的直流连接隔良，绝缘电压可达1500V（有效值勤）;另一个是信号传输，传输为1：1，此外，每一路内部均接有互感器以消除共模信叼，防止干扰造成信号错误。 变压器参数定义&测试方法（变压器的一般参数） 1 变比（Turn Tatio） 理想的变压器的变比等于初次级匝数比，变比大小是根据电路的需要确定的。 开路电感是指初级或次级绕组的自感，测试OCL时，测量脚位对面的绕组处于开路状态，这个参数影响产品低频时的工作状态，OCL越高时，下限工作频宽越宽，参10/100/1000BASET的变压器来说，其OCL测试条条件一般为1

23、00KHZ，100Mv： 2 漏感（Leakage inductance） 由于初级或次级绕组的漏磁通而产生漏感，漏感的大小直接影响变压器的高频性能， 较低的 漏感意味着初，次级间耦合得较好，测试漏感时，测量时脚位对面的绕组处于短路状态。 4直流电阻DCR DCR 是指初级或次级绕组导线的直流电阻，它与导线的材质、横截面积、长度有关，线径越大、圈数越少，则DCR越小。 匝间电容Interwinding Capacitance Cww Cww定义为初、次级绕组之间的电容。匝间电容的大小对变压器的高频工作影响较大。 匝间电容越大则高频信号耦合越好。但是较大的匝间电容为共模杂讯（EMI）提供了通道，

24、降低了变压器的抗电磁干扰能力。且在增大变压器匝间电容的同时，变压器同一绕组间的电容（Cd）也增大，使得载波信号直接由正极通过Cd直接耦合到负极，从而降低了高频信号的传输能力。而且匝间电容与漏电感是相互冲突的，匝间电容过小，必然 导致漏电感过大，从而也降低了变压器的高频性能。 6上升时间RISE TIME 上升时间指脉冲幅值最初达到峰值脉冲幅度10%与90%两瞬间相隔的时间。上升时间受LS*CS均方根值的影响较大。（漏感：LS；分布电容：CS） 7高压HIPOT 此参数反映了初、次级间的绝缘效果，产品的耐压等级与采用的漆包线的耐压能力和绝缘灌封物质绝缘效果有关。 除了以上的一般参数外，变压器还需测试网络曲线。HP 8712C RF NETWORK ANALYZER和AGILENT 43 95A NETWORK/SPECTRUM/IMPEDANCE ANALYZER 是连康的主要网络测试仪器。 1.插入损耗Insertion LossIL定义为信号通过变压器衰减后的功率与源信号功率的比值，一般用分贝值表示，通常希望这个值的绝对值的越小越好。变压器IL的典型值一般为0.5dB1.5dB(1dbB相当于信号衰减了大约20%) 造成IL过大的可能原因有：铁芯本身