一：信号变压器概念与作用
1、信号变压器一般叫做网络变压器，也称数据泵，在以太网络电路中，主要连接PHY芯片与网口,并在两者之间起桥接作用
2、信号变压器的主要作用：
1）无失真传输以太网信号 2）电气隔离 3）辐射抑制 4）防雷保护
1）传输信号：
信号变压器吧PHY芯片送出的差分信号用差模耦合的线圈耦合滤波以增强信号，并通过电磁场的转换耦合连接到网线的另外一端。
2）电气隔离：
主要隔绝网线不同网络设备间的不同电平，网线与PHY芯片之间不需要物理层面的连接就可以传递信号，隔断了信号中的直流分量。
3）辐射抑制：
由于信号变压器共模电感的存在，会在线圈内产生同向的磁场而增大线圈的感抗，使线圈表现为高阻抗，产生较强的阻尼效果，以衰减共模电流信号。具体可见后文介绍
4）防雷保护：
信号变压器本身设计有耐压2KV-3KV高压的能力
二：信号变压器的结构
信号变压器主要包含中心抽头、变压器和共模电感
变压器拓扑结构如下所示：
1、隔离变压器：
主要起初次级隔离的作用，电平隔离靠此部件实现。
2、共模线圈：
差模电流以相反的方向流过共模扼流圈的绕组，建立大小相等方向相反的磁场，它能使得输出相互抵消，这就使得共模扼流圈
对差模信号的阻抗为零，差模信号能不受阻的通过共模扼流圈。其中共模电感的阻抗与磁芯材料、磁芯尺寸、匝数有关。
而共模电流以相同的方向流过共模扼流圈绕组的每一边，建立大小相等位相相同的叠加磁场，对共模信号呈现高阻抗。共模抑制能力
取决于共模扼流圈阻抗和负载阻抗的大小之比。
因此共模线圈的作用在于衰减共模信号，改善EMI。
3、自耦变压器：
从差模信号看，有中心抽头的自耦变压器是两个在相位上相同的对分绕组。这就意味着差模电流在其中会形成磁场，使其对共模电流呈现高阻抗
相当于对差模信号并联了一个高阻值的电阻，对差模信号的大小没有影响
从共模信号看，有中心抽头的自耦变压器是两个在相位上相反的对分绕组，这就意味共模电流在其中会形成大小相等方向相反的磁场，这一磁场会使共模电流的
输出相互抵消。对共模信号呈现零阻抗效应，使共模信号直接短路到地。
因此自耦变压器的作用在于将共模噪声导入地平面，改善EMI。另外由于共模电感在信号变压器网口一侧时会对差分线之间的电阻值产生影响，故自耦变压器还有一定阻抗匹配的作用
但由于成本原因，自耦变压器不一定都采用。
对于EMI的改善作用一般有：三线扼流圈>双扼流圈>三线共模（将中心抽头的输入也同步绕制在共模电感线圈上，以抵消共模线圈中信号电流的影响）>单扼流圈
4、中心抽头:
1）提供差分线上共模噪声的低阻抗回流路径，降低共模电流/电压
2）提供一个直流偏置电压或功率源，如POE设备
5、信号变压器的关键参数
1）漏感- Leakage Inductance
磁力线不能在隔离变压器初次级之间完全耦合，不能耦合过去的能量在存储在“漏感”之中。
2）回程损耗- Return Loss
传输系统中插入信号变压器的反射信号Vr与入射信号Vi 的比值
回程损耗=20*log(Vr/Vi）
3）插入损耗- Insertion Loss
信号变压器的输出信号Vo与入射信号Vi 的比值
插入损耗=20*log(Vo/Vi）
4）串扰- Cross Talk
两个单元电路中一个单元电路中的信号V1与感应到另一个单元电路的信号V2的比值
串扰=20*log(V2/V1）
5）共模抑制比-CMRR
6、信号变压器频率特性为带通滤波器，频率特性主要受插入损耗、OCL、漏感与分布电容的影响
7、信号变压器的连接方式分为电压驱动型与电流驱动型两种，其中中心抽头电容到地的为电压驱动型，电流驱动型则是中心抽头电容接电源，同时差分线对之间接100ohm
电阻，可以由两个49.9ohm电阻串联得到，各串在一个差分线对上。
三：信号变压器与EMI
1、EMI问题产生的原因
1）共模噪声使引起EMI的最主要、最直接的原因，包括信号变压器不平衡，含中心抽头平衡与共模电感的平衡；串扰；非理想参考面
2）因为差模-共模转换的存在，差模信号也可能是引起EMI的间接原因之一
3）磁芯材料，磁环排列方式、绕线的方式、绞线密度等；
4）PCB布局布线与PCB整体情况等
2、Bob Smith 电路
Bob Smith 电路出自Bob Smith，主要作用提供网口任意两对差分线间150ohm的阻抗匹配，同时可以为共模信号提供一个回流路径。
四：信号变压器的防雷设计
网口与信号变压器相关电路防雷对于保证使用者与产品安全非常重要，主要有两种思路：
1、给雷电电流提供泄放路径 2、利用信号变压器的绝缘耐压，将高压隔离在信号变压器的初级。
一般建议如下:
1、保证网络信号差分线对的阻抗匹配，尽量等长等距，避免过孔与交叉等，特征阻抗控制在100ohm±10%；
2、Bob smith电路中高压电容选取耐压高于2KV电容，电阻与该高压电容之间的连线要短而粗，保证15mil以上；
3、为保证共模隔离耐压的承受能力，信号变压器需要满足初级与次级之间的交流绝缘耐压不小于1.5KV的标准；
4、由于通过信号变压器的隔离特性完成共模防护，所以高压信号线（差分线和Bob Smith电路走线）和其它信号线（Rj45网口
指示灯控制线）、电源线、地线之间应该保证足够的绝缘，不存在意外的放电途径；
5、Rj45与信号变压器之间的距离尽量短，相关器件布局按照信号流向放置，切勿绕来绕去；
6、中心抽头对地的滤波电容尽量靠近信号变压器管脚放置；
7、Rj45网口指示灯电源线与控制线要靠近走线，尽量减少环路面积，控制线与网口走线尽量保持80mil距离
8、信号变压器两边要进行地的分割，同时信号变压器与Rj45这一侧的隔离地要做好禁铺，不要有电源层与地层
作者： lwehui， 来源：面包板社区
链接： https://mbb.eet-china.com/blog/uid-me-3860933.html
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