如何实现一种网口电路设计方案（如何实现一种网口电路设计方法）

网络变压器分类

可分为两类：a。离散LAN 磁性模块； b.具有集成磁性(ICM) 的RJ45 连接器；

产品根据客户焊接类型：a可分为两类。表面贴装元件（SMT，表面贴装型） b插入式元件（TH、通孔型）

产品根据传输速率可分为四类：a。 10Base-T，b。 10/100Base-T，c。 1000 Base-T，d。 10G Base-T。

（Base-T: 基带，双绞线。简而言之，Base-T 是一种以bps 速率运行的局域网(LAN) 标准。它通常称为快速以太网，使用UTP（非屏蔽双绞线）线）铜缆。快速以太网有三种基本实现：Base-FX、Base-T 和1Base-T4。除接口电路外，每种规格均相同，接口电路决定电缆的类型。为了实现时钟/数据恢复（CDR）功能，Base-T采用了4B/5B曼彻斯特编码机制。）

1.共模扼流圈（CMC：Common mode Choke）

共模扼流圈又称共模扼流电感，是在闭合磁环上对称绕制的匝数相同、方向相反的线圈。理想的共模扼流圈具有抑制L（或N）和E之间的共模干扰的功能，但对L和N之间存在的差模干扰没有感应作用。但由于实际线圈绕组的不完全对称性，导致差模漏感的产生。信号电流或电源电流在两个绕组中以相反方向流动，产生的磁通量相互抵消，并且扼流圈表现出低阻抗。共模噪声电流（包括接地环路引起的骚扰电流，也称为纵向电流）以相同方向流过两个绕组。产生的磁通量沿相同方向相加，扼流线圈呈现高阻抗，从而抑制共模噪声电流。模噪声的影响。共模电感本质上是一个双向滤波器：一方面要滤除信号线上的共模电磁干扰；另一方面要滤除信号线上的共模电磁干扰。另一方面，它必须抑制自身发射电磁干扰，以免影响同一电磁环境中其他电子设备的正常工作。

共模扼流圈可以传输差模信号，频率很低的直流和差模信号都可以通过。但它对高频共模噪声呈现较大的阻抗，因此可用于抑制共模电流干扰。

共模电感扼流圈是开关电源、变频器、UPS电源等设备的重要组成部分。其工作原理：当工作电流流过两个绕线方向相反的线圈时，产生两个相互抵消的磁场H1和H2。此时，工作电流主要受到线圈的欧姆电阻和可忽略的工作频率下的小漏感的阻尼。如果干扰信号流过线圈，线圈就会呈现高阻抗，产生很强的阻尼作用，从而衰减干扰信号。

CMC 抑制共模信号：

顾名思义，共模扼流圈是用来抑制共模噪声信号（无用信号、干扰信号）的元件。对共模噪声信号形成高阻抗，对差模信号（有用信号）基本没有影响。是抑制EMI电磁干扰的主要元件。其工作原理如下：

共模信号是指两个输入端输入的极性相同的信号。共模信号会引起电磁干扰。电磁干扰分为辐射干扰和传导干扰（进入电源线）。数字终端设备中，阻抗不匹配时的不对称信号传输和差模信号转换会产生共模信号。

CMC 对差模信号没有影响：

2. 中心抽头自耦变压器

自耦变压器对差模信号形成高阻抗，对共模信号基本没有影响。按照上述接线方法连接线路时，可以有效地进行信号传输，从而进一步减少和抑制电磁干扰。

3、扼流线圈的工作原理及插入损耗特性（或阻抗特性）：

当信号电压（差模信号）施加到变压器的两腿时，通过磁耦合在变压器的次级端感应出感应电压。对于信号电压，由于同时流过CMC两个绕组的信号电流大小相等、方向相反，因此在CMC的铁芯磁路中会产生方向相反的磁通，相互抵消出，不影响差模信号传输。此时，变压器的两个绕组中流过大小、方向相等的电流，使变压器就像一个大电阻，阻碍差模信号的通过，对载波信号的传输影响不大。

因此差模信号直接耦合到负载。对于共模信号来说，主要是通过变压器原边和副边之间的分布电容耦合到副边。此时，CMC的两个绕组中流过大小和方向相等的电流。此时，CMC相当于一个大电阻阻止了共模电流的传输，而变压器的两个绕组流过大小相等、方向相反的电流，相当于对共模信号进行了短路。这样，共模电压基本上不会被传输，而是会被耦合。到负载上。这样既可以很好地传输载波信号，又可以抑制共模干扰信号。

变压器的中心抽头。为什么一些中心抽头连接到电源？有点接地气？这主要由所使用的phy芯片的UTP（双绞线）端口驱动类型决定。有两种类型。如果是电压驱动，则必须连接电源；如果是电流驱动则不需要电容直接接地。为什么有的接2.5v？还有一些是接3.3v的？这是由PHY 芯片数据中指定的UTP 端口级别决定的。如果是2.5v，就拉到2.5v，如果是3.3v，就拉到3.3v。

1 网口变压器的作用

1. 为什么中间的一些抽头连接到电源上？有点接地气？

这主要由所使用的PHY芯片的UTP端口驱动类型决定。驱动器有两种类型：电压驱动器和电流驱动器。如果是电压驱动，则需要连接电源；如果是电流驱动的话直接接一个电容到地就可以了！因此，对于不同的芯片，中心抽头的连接方式与PHY密切相关。详细信息请参阅芯片的数据表和参考设计。

2、为什么接电源时会接不同的电压？

这也是由所使用的PHY 芯片数据中指定的UTP 端口级别决定的。无论您决定什么级别，都必须连接相应的电压。即如果是2.5v，就拉到2.5v，如果是3.3v，就拉到3.3v。

3、这个变压器的作用是什么？可以不连接吗？

理论上，无需变压器，直接连接RJ45也能正常工作。但传输距离非常有限，而且连接不同级别的网口时也会受到影响。而且，外界对芯片的干扰也很大。连接网络变压器时，主要用于信号电平耦合。第一，它可以增强信号，使其传输更远；第二，将芯片端与外界隔离，大大增强了抗干扰能力，给芯片增加了很大的保护（比如雷击）；第三，当连接不同电平的网口时（例如有的PHY芯片是2.5V，有的PHY芯片是3.3V），不会对对方的设备造成影响。

一般来说，网络变压器主要起到信号传输、阻抗匹配、波形修复、信号杂波抑制和高压隔离等功能。

数据汞也称为网络变压器或网络隔离变压器。它在网卡上起着两个主要作用。一是传输数据。它通过差模耦合线圈耦合对PHY发出的差分信号进行滤波以增强信号，并通过电磁场转换将其耦合到不同的电平。连接网线的另一端；首先，对网线连接的不同网络设备之间进行不同电平隔离，防止网线传输不同电压，损坏设备。另外，数据汞还可以对设备的防雷起到一定的作用。

当信号电压（差模信号）施加到变压器的两腿时，通过磁耦合在变压器的次级端感应出感应电压。对于信号电压，由于同时流过CMC两个绕组的信号电流大小相等、方向相反，因此在CMC的铁芯磁路中会产生方向相反的磁通，相互抵消出，不影响差模信号传输。

此时，大小和方向相等的电流流过CMT的两个绕组，使CMT像一个大电阻一样，阻碍差模信号的通过，对载波信号的传输影响最小。因此差模信号直接耦合到负载。对于共模信号来说，主要是通过变压器原边和副边之间的分布电容耦合到副边。此时，CMC的两个绕组中流过大小和方向相等的电流。此时，CMC相当于一个大电阻阻止了共模电流的传输，而CMT的两个绕组流过大小相等、方向相反的电流，相当于对共模信号进行了短路。这样，共模电压基本上不会被传输，而是耦合到负载上。这样既可以很好地传输载波信号，又可以抑制共模干扰信号。

PHY的DAC（数模转换器）确实有电压驱动和电流驱动。具体细节实际上取决于PHY 的数据表。但无论电压驱动还是电流驱动，PHY侧变压器的中心抽头都必须连接一个电容进行滤波。

重要的是，对于电流驱动的PHY，PHY端的2线CMC（COMMON MODE CHOKE）线不适用，因为电流可能使CMC饱和，导致其失去共模抑制效果。但PHY端的3线CMC线就可以了，因为第三条线原则上相当于一个自耦变压器。但在正常绕制方式下，2线CMC的共模抑制能力优于3线CMC。

原因是3线CMC中存在磁场抵消。不过，一种特殊的缠绕方法可以避免这个缺点，但由于涉及专利问题，我无法在此透露。另外，3线CMC线可以提供更多的线路平衡，因此其不同模式信号的转换特性更好。如果EMI（干扰）有余量，但EMS（抗干扰）有问题，则应考虑使用3线CMC。变压器。另一方面，如果EMS 有余量但EMI 是一个问题，请使用具有2 线CMC 的变压器。如果两者都没有余量，那么您需要与您的供应商详细讨论改进措施。

a) RJ45与变压器之间的距离应尽可能短。晶振应远离接口、PCB边缘和其他高频器件、走线或磁性元件。 PHY层芯片与变压器之间的距离应尽可能短，但有时为了考虑到整体布局，这可能很难满足，但它们之间的最大距离约为10~12cm。器件布局的原则是器件通常按照信号流向放置，不得绕行；

b) PHY层芯片的电源滤波根据芯片要求进行设计。通常需要在每个电源端放置一个去耦电容。它们可以为信号提供低阻抗路径，并减少电源和接地层之间的谐振。为了让电容起到去耦和旁路的作用，所以需要保证由电容、走线、过孔、焊盘组成的去耦和旁路电容的环路面积尽可能小，并且引线电感保持尽可能小；

c) 网口变压器PHY层芯片侧中心抽头与地之间的滤波电容应尽可能靠近变压器的引脚，以保证引线最短和分布电感最小；

d) 网口变压器接口侧的共模电阻和高压电容靠近中心抽头放置，走线短而粗（15mil）；

e) 变压器两侧需要接地：即RJ45连接器和变压器次级线圈采用单独的隔离地。隔离面积超过100mil，并且该隔离面积下没有电源或地层。这个分割过程是为了实现初级和次级之间的隔离，并控制源侧干扰通过参考平面耦合到次级；

f) 指示灯电源线和驱动信号线应相邻走线，尽量减少环路面积。指示灯与差分线之间必须进行必要的隔离，两者之间必须保持足够的距离。如果有空间，可以用GND分开；

g) 用于连接GND和PGND的电阻和电容需要放置在接地划分区域。

2、以太网信号线以差分对的形式存在（Rx、Tx）。差分线具有很强的共模抑制能力，抗干扰能力强。但如果接线不当，会造成严重的信号完整性问题。性问题。下面一一介绍一下差分线处理的要点：

a) 优先绘制Rx和Tx差分对，尽量保持差分对平行、等长、距离短，避免过孔和交叉。由于管脚分布、过孔、布线空间等因素的影响，差分线长度容易出现不匹配，时序会偏移，并会引入共模干扰，降低信号质量。因此，需要补偿差分对的不匹配，使线路长度匹配。长度差通常控制在5mil以内。补偿原则是在出现长度差异的地方进行补偿；

b) 当速度要求较高时，需要对Rx和Tx差分对进行阻抗控制。通常阻抗控制在10010%；

c) 差分信号终端电阻（49.9，部分PHY层芯片可能没有）必须靠近PHY层芯片的Rx和Tx引脚放置。这样可以更好地消除通信电缆中的信号反射。这个电阻有的连接电源，有的通过电容接地，这是由PHY芯片决定的；

d) 差分线对上的滤波电容必须对称放置，否则可能差模转为共模，引起共模噪声，布线中不能有短截线，这样才能对高电压有良好的抑制能力-频率噪声。

3、连接器集成变压器的以太网电路的PCB布局和布线比未集成的以太网电路相对简单。下图3是采用集成连接器的网口电路的PCB布局及接线参考图：

图3 集成连接器网口PCB布局及接线参考图

从上图可以看出，图3与图1的区别在于少了网口变压器，其他两者大致相同。主要区别在于，网口变压器已经集成到连接器中，因此不需要划分地平面，但我们仍然需要将一体机的外壳连接到连续的地平面。

4.电路滤波器设计：

a) 在差分线上串联10R电阻，并在地添加5-10pF电容。

b) 变压器电源加LC滤波，选用600R/100Mhz磁珠和0.01-0.1uF电容

5、电路防雷设计：

为了满足IEC61000-4-5或GB17626.5标准的防雷测试要求，共模2KV，差模1KV，最低成本的设计方案是通过防雷装置将变压器初级中心抽头接地。可以选择成本较低的半导体放电管，但需要注意的是“保护器件的标称电压要求大于或等于6V；保护器件的峰值电流要求大于或等于50A；保护器件的峰值功率要求大于或等于300W。注意半导体放电管的选型，并注意器件的“断态电压、维持电流”必须大于电路工作时电压和工作电流。

根据测试标准要求，非屏蔽平衡信号不需要差模测试。因此，对于1KV以内的差模保护要求，可以通过变压器自身的绕组来保护能量冲击，而无需增加差模保护装置。

1）由于TVS管的响应速度比压敏电阻和气体放电管快，所以压敏电阻或气体放电管不能直接与TVS管并联使用。而是应在它们之间串接一个uH级的电感或导线（导线也有寄生电感）；

2）气体放电管需要续流中断：即吸收瞬变造成短路后必须能够恢复到开路状态。即一般使用时，气体放电管的直流击穿电压远高于其并联信号的工作电压。当气体放电管因瞬态干扰而起作用而发生短路时，需要有电压来维持短路状态。如果信号电压使气体放电管保持短路状态，时间一长信号就会被烧毁，因此信号电压应低于保持气体放电管短路状态的电压。

辐射和ESD： a) 在指示灯走线和电源上添加磁珠。磁珠靠近接口，然后限流电阻靠近PHY芯片，加电容滤波。

PCB布局及走线原则：

1）变压器与RJ45之间，PHY层芯片与变压器的距离应控制在1英寸以内。当布局条件有限时，应优先保证变压器与RJ45的距离在1英寸以内。

2）器件布局应按照信号流向放置，不要绕行。

3）变压器下方的地平面应进行分割，分割线的宽度不应小于100MIL，网口变压器应放置在GND和PGND之间的分割线上。

4）每对差分走线必须控制长度相同，阻抗控制在50欧姆。

5）注意PHY层芯片的数字地和模拟地是统一的，数字电源和模拟电源使用磁珠隔离。同时必须与变压器相配合。注意PHY芯片的电源滤波，根据芯片要求进行设计。

6) 网口指示灯的3.3V或2.5V电源线来自电源平面。它们必须使用磁珠和电容器去耦；指示器驱动线必须靠近PHY 串联电阻并在进入I/O 区域之前。执行电容滤波。这可以防止噪声通过指示器电源线耦合到差分对区域。

7）指示灯电源线和驱动信号线应靠近布线，尽量减少环路面积。

8) 指示线和差分线对必须根据需要隔离。两者之间的距离必须足够远。如有必要，请使用GND 平面进行隔离。

9）注意网口变压器芯片侧中心抽头到地的滤波电容应尽可能靠近变压器的引脚，以保证引线最短和分布电感最小。

10）用于连接GND和PGND的0欧电阻或电容应放置在地线分割线上。

11）PHY芯片的模拟电源不宜占用较大的plane面积。它通过走线、磁珠和走线从本地铜拉至变压器芯片侧的中心抽头。

12) PHY 芯片和变压器之间没有VDD。将PHY芯片和变压器之间的平面层区域定义为GND，可以切断来自VDD平面的噪声路径。

13) 沿单板PCB 边缘每隔2.50 mil 钻一个接地过孔（不覆盖PGND，见图8）。这些过孔排可以切断单板噪声向外辐射的途径，减少对PGND静态地的影响。

14）单板的PGND和GND通过螺孔与结构连接，保证系统地电位的统一。

15) 确保电源层和接地层之间良好的去耦（低电阻）。电源层优选地邻近接地层。

16) 与电源层相邻的信号线不应超过电源层的投影面积。

17) 确保与电源层相邻的信号线返回路径的完整性，否则会改变平面的形状，使信号线位于平面层中。不完整的返回路径会导致严重的EMC问题。

18) 建议所有高速信号线、I/O 线和差分线对首先靠近地平面布线。如果不可能，请使用电源层作为参考层。

19) 差分线应远离其他信号线，并放置其他信号线以将噪声耦合到差分线。

20）为了减少差分信号的噪声，数字信号线或电源应远离模拟信号线或电源。

21) 电源的去耦和旁路非常重要。它们可以为信号提供低阻抗路径，并减少电源和接地层之间的谐振。电容可以起到去耦和旁路的作用，但要保证电容、走线、过孔、焊盘组成的去耦和旁路电容回路的面积尽可能小，引线电感必须为尽可能小，见下图

去耦电容环路面积

变压器中心抽头共模电容布局接线对比图

7.2.使用集成连接器的网口电路的PCB布局和布线规则

下面仅描述不同之处。

1）网口变压器是用来切断共模的隔离器件。由于已集成到连接器中，因此不再划分接地平面。

2) 集成连接器的外壳应连接到连续的接地平面。请勿在连接器下方创建机架接地。

3) 在板周围每隔250 mil 钻一个接地过孔，以屏蔽板内的板噪声。

非常重要的一点（借鉴电脑主板设计）：裸露在机箱外部的接地设备的金属外壳需要接触放电（如232 USB以太网接口等），其信号线保护措施如GDT压敏TVS等，必须连接到金属外壳，也就是大地，对大地放电（接地设备的金属外壳一般都是大地连接的）。