网络磁性元件的原理及应用
The principle and application of magnetic module in the LAN system

1引言
在网络接口单元、10/100Base-T、1000Mbps网络、家庭个人局域网、ATM等各种网络类型中，都少不了磁性元件。高质量的磁性元件能与网络收发控制心片很好地匹配，起到优化网络通信质量的重要作用，使整个网络系统满足电磁兼容和电气隔离的要求。磁性模块中一般集成有隔离变压器、共模扼流圈、低通滤波器或预矫正阻抗等磁元件。这些部分一般集成在一个表面贴或直插封装的模块中。
因为影响网络产品电磁辐射的最重要因素是共模和差模电流。所以首先介绍一下电磁兼容理论中常用的共模与差模电流。差模电流在电缆中的一根导体上向一个方向流动，而在另一根导体上向相反的方向流动。因此两根导体中的电流产生的辐射效果互相抵消，这样，差模电流产生的辐射在总辐射中占的比例就很小；差模电流通常等于信号电流或电源电流，不在屏蔽体中流动。共模电流在电缆中所有导体上的流动方向相同，也可能在屏蔽体中流动，并且与信号电流无关。共模电流经有关的接地网络返回，因此，辐射环路很大，且不受控。结果是很小的共模电流可以产生很大的辐射信号。

图1所示为一般计算机主板或嵌入式系统中网络部分结构框图。图中，磁性模块位于以太网收发器和RJ45双绞线接口之间。数据收发心片利用RJ45接口连接的非屏蔽双绞线（UTP）作为传输介质。非屏蔽双绞线很容易吸收电磁噪声而包含很大的能量，如果这种噪声能量不被阻隔，双绞线上传输的数据信号将被破坏并不能到达目的地，网络通信就不能正常进行。磁性模块的共模抑制作用可有效减小这种共模噪声至可接受程度。因此，网络系统要想通过FCC（美国联邦通信委员会）、VDE（德国电气工程师协会）和信号完整性等认证测试要求，磁性模块是不可缺少的。它的作用是提供阻抗匹配、波形修复和调节，高电压隔离和共模去噪等。

2网络中的磁性模块
常用的网络拓扑有10/100Base-T、令牌环和千兆以太网等。10/100Base-T是指速率为10或100Mbps的双绞线以太网。这种网络采用非屏蔽双绞线铜缆，电缆暴露在电磁辐射中，缺少接地屏蔽。在这种情况下，如果差模信号不对称，存在共模噪声的电流，电缆将产生噪声辐射。10/100Base-T磁性模块的作用是帮助系统获得可接受的共模噪声电流。
2.1低通滤波器

滤波器对信号进行整形和调节来减少过冲和瞬时振荡，滤波器的主要功能是通过削弱任何高频成分和差模噪声来提高输入数据信号的信噪比。图2中示出了网络磁性模块中低通滤波器所处位置。
检测一个低通滤波器性能一般需考察以下参数：
(1)群时延：保持良好的脉冲传输所需条件是滤波器具有一个平群时延。
(2)阶跃响应：考察一个滤波器的阶跃响应所必需的两个参数是过冲和振荡，应当将过冲减至最小以便脉冲精确复制，将振荡尽快衰减以防止对后续脉冲产生干扰。
(3)冲击响应:可以用来估计输出波形。
主要的低通滤波器拓扑有巴特沃斯型(Butterworth)、契比雪夫型(Chebyshev)、贝塞尔型(Bessel)和椭圆型(Eliptic)等。巴特沃斯型滤波器输出幅度随频率增高单调减小，具有最平坦的通带幅频特性和良好的瞬态特性。它是在10Base-T网络中最经济的滤波器类型。这种滤波器具有100欧姆的差分阻抗，与非屏蔽双绞线电缆正好匹配。它衰减高频成份而让需要的频率成份通过，提高了输入信号的信噪比。
令牌环即IEEE802.5标准，其网络磁性模块中滤波器的功能与10Base-T中的相同。令牌环要求使用屏蔽双绞线，既支持4Mbps，也支持16Mbps的速率。椭圆低通滤波器是令牌环网络最好的选择，因为这些滤波器具有150欧姆的差分阻抗，正好与屏蔽双绞线电缆相匹配。
2.2过电压保护

令牌环滤波器模块（如图3）中的二极管电路，可以起到保护数据终端设备（DTE），使其免受静电和其它电磁应力冲击的作用。
2.3预矫正阻抗
预矫正阻抗的作用是计算来自以太网收发器输出信号的电流总和，以便提供一个与双绞线相匹配的阻抗。预矫正电阻值主要决定于网络收发器的输出阻抗。因此，磁性模块需要具有多种不同的预矫正阻抗配置来提供给不同的网络收发器。不同的应用需要不同的磁性模拟接口模块。
2.4变压器

在10/100Mbps磁性组件中，隔离变压器（如图4所示）被用来提供二个系统之间的电隔离，实现电压或电流的转换，并且抑制共模干扰的影响。原边绕组与磁心之间的电容量和副边绕组与磁心之间的电容量，都有助于共模传递。为了更进一步抑制共模噪音，可以选择将收发器一端的变压器中心抽头经过电容连接到地。因此，在100Base-TX模块中，到地的低阻抗路径是从变压器或自耦变压器的中心抽头经由电容性耦合到地产生的。
因为共模电流在变压器的绕组中不产生任何磁场，所以理想变压器将只传递差模电流而阻止所有的共模电流通过，但是实际的变压器有一个小电容量，这个电容量会与原边和副边的绕组耦合。这将会产生一条路径使共模电流通过变压器。因此，在变压器中决定共模到共模传递最重要的参数是这个耦合电容Cw/w。所以减少这种转移需要减少Cw/w的值。在某种程度上，达到这目的的一个方法是在磁心上将原边和副边的绕组彼此相邻地缠绕（双股线），而不是将原边绕组堆在副边上面或反之。如果磁心没有接地，那么，原边与磁心之间的电容，以及副边与磁心之间的电容都对转移起作用。因此，在许多情况下，将磁心经由低值阻抗与地连接起来是明智的。
在令牌环磁性模块中，线性隔离变压器同样用来提供两个系统的电隔离，实现电压或电流的转换，同时抑制共模干扰的影响。令牌环磁性模块中变压器的另一种功能是阻抗匹配，它既支持有100欧姆的非屏蔽双绞线也支持有150欧姆的屏蔽双绞线。
在决定IEEE802.3u规范要求的诸如输入阻抗、信号波形完整性和共模抑制等局域网接口特性的因素中，变压器是非常重要的一个。在10/100Mbps磁性模块中变压器和相关的输入输出电路设计中需要考虑的是：（1）提供高频所需的特定输入阻抗。（2）在低频时，保持波形完整性。（3）要按低绕组间电容的要求设计，以便获得共模抑制作用。（4）优化变压器漏电感。因为降低绕组间电容的技术往往会增加漏电感，所以必须采取折衷办法以便获得良好的共模抑制比，同时将由漏电感应所引起的波形失真减到最少。
对于差模信号，自耦变压器将作为高阻值阻抗，因此它将会对有用的信号产生最小的影响。另一方面，对于共模信号，自耦变压器将会作为低值阻抗，并且自耦变压器的中心抽头将会提供低阻抗路径使共模噪声直接进入地。在信号收发端，变压器的中心抽头，可以选择地与地容性耦合来减少共模阻抗。这将消除原边绕组与磁心之间、副边绕组和磁心之间的容性共模传递效应。通过提供更大漏电感和寄生线圈电容的绕组结构，可以减少变压器的耦合电容量。
2.5共模扼流圈

共模扼流圈结构和电路如图5所示。一个系统要通过FCC测试，一个高频、共模扼流器是必不可少的。共模扼流圈对共模噪声部分表现出高阻抗，但是对差模噪音部分表现为低阻抗。
在10Base-T和令牌环网络磁性组件中，共模扼流圈用来减少共模电磁干扰与随机噪声，以防止它们导入传输介质中。共模扼流圈只需要在非屏蔽双绞线接口中使用，因为屏蔽双绞线已被屏蔽了，因此就不需要额外的保护了。
让我们探究一下共模扼流圈在电路中是如何工作的。由于使用非屏蔽双绞线电缆取代平行导体，这使得干扰主要是共模干扰，只残留一小部分的差模干扰。共模电流在大小方面上是相同的。如果共模扼流圈的绕组是对称的，并且所有的磁通在磁心中，这样，通过差模电流时所看到的阻抗是零，但通过共模电流时看到的阻抗将会是加倍的。因此，共模扼流圈在阻断共模电流方面是有效的。为了给共模电流提供这个阻抗，绕组必须绕在磁心上，这样，由两个共模电流引起的磁通就加在磁心上，而由差模电流引起的磁通就从磁心中减去。绕组的输入输出将被定位，这样，它们之间的寄生电容是最小的;否则寄生电容将降低共模扼流圈在阻隔共模噪声中的作用。
基于上述的讨论，我们必须选择一个具有较高初始磁导率的铁氧体磁心材料，以便将磁通集中在磁心并提供最大可能的共模电感(阻抗)，使共模扼流圈有效地阻断共模干扰。
2.6接收与发送通道之间的屏蔽

交叉干扰可能导致EMC测试的失败。因此，如图6所示，接收与发送通道之间必须屏蔽，以提高对交叉干扰的抑制。

3网络磁性模块的主要参数
(1)插入损耗(Insertion Loss) 插入损耗是能量从源端传递到负载端过程中的损耗，定义为vin和vout分别是进入和从磁组件中输出的电压。
(2)回波损耗(Return Loss) 用来定义源端和负载端阻抗匹配的程度，定义为ZS和Zl分别是源端和负载端电路的复数阻抗。
影响插入损耗和回波损耗的主要因素：(1)绕组的直流阻抗；(2)原边和副边之间的磁耦合或匝数比；(3)磁心损耗；(4)漏电感。
在高频时，插入损耗和回波损耗能够通过改变以下几方面来得到改变：(1)线规；(2)磁心几何结构；(3)绕线方法；(4)磁心材料。

4提高系统性能的方法及应用

理解了磁性模块中主要参数之间的关系，我们就能够选择合适的磁性模块来提高系统的性能。为了获得最佳共模抑制效果，双绞线每条线上的磁场需要紧密地链接起来。但是这样做，将增加耦合电容，而且这将会影响高频时的回波损耗。对于最优设计，10/100Mbps模块的回波损耗在100MHz时是14dB，共模抑制比是48dB。一个磁性模块的回波损耗能通过牺牲部分共模抑制性能来得到提高。如果我们想将100MHz时的回波损耗提高到16dB，这可以通过将100MHz时的共模抑制比减至41dB而实现。
磁性模块的上升和下降时间也能通过牺牲回波损耗来得到控制。例如，在最优化设计时，10/100 Mbps模块在100MHz时的回波损耗是14dB，上升时间是2ns。如果收发心片的输出足够慢，总的上升或下降时间符合IEEE的3ns到5ns的要求。但对于一些收发心片，上升和下降时间太快， 因此需要慢速变压器来帮助系统通过IEEE要求。如果磁性模块的上升和下降时间能够减慢到3ns，回波损耗在100MHz时将是10dB。收发端之间的屏蔽提高了抑制串扰效果。图7所示为10/100Mbps磁性模块的典型应用电路，磁性模块一端与收发心片相连，另一端与RJ45接口连接。接收通道有一个、发送通道有两个共模扼流圈，收发通道之间被屏蔽。发送通道上的二个共模扼流圈将会对两端的传导和辐射噪声干扰起抑制作用，有助于系统通过FCC和CE最苛刻的要求。