網絡變壓器：如何用“小”改變，玩轉大市場？

【導讀】憑借著性能出色、連接簡單、生態完善等優勢，以太網已經成為了局域網（LAN）領域通用的通信協議標準，并伴隨著數據消費量的迅速增長，不斷快速演進。

今天以太網的發展趨勢，體現在三個方面：

● 性能越來越高：目前10/100Gbps的以太網已經成為主流技術，400Gbps技術也已經在跑步趕來。在提升傳輸速率這件事上，以太網從未放慢腳步。

● 應用越來越廣：除了數據通信領域外，以太網還正在進入工業自動化控制、車載網絡這些對實時性、確定性要求苛刻的領域。TSN（時間敏感型網絡）等技術正在努力讓以太網去適應這些新場景的要求，單一以太網架構“一統天下”的局面正在成為現實。

● 功能日趨多樣化：除了傳輸數據外，藉由以太網供電（PoE）技術，以太網在同一介質上也可承擔電能傳輸職責，這就使得以太網終端設備的部署更容易，也讓以太網的觸角可以延伸到更多地方。

不難判斷，以上三個趨勢決定了在未來相當長的一段時間內，以太網端口的增長還將保持相當大的加速度，而相關元器件的需求也會持續看漲。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，但在每一個以太網連接端口中卻是不可或缺的存在——它就是網絡變壓器（也被稱為“LAN變壓器”）。

LAN變壓器的作用

LAN變壓器是一個磁性模塊，它通常作為連接物理層（PHY）收發器和RJ45連接器的接口，主要起到信號調理和隔離的作用，以實現更高的信號質量，保證更可靠的網絡連接。

具體來講，LAN變壓器與我們所熟悉的變壓器工作原理相同，是將PHY傳輸來的差分信號通過電磁場的轉換耦合到連接網線的另外一端。在這個看似“簡單”的過程中，LAN變壓器卻發揮著很重要的作用：

● 通過將來自PHY的差分信號用差模耦合的線圈耦合濾波，LAN變壓器可以讓信號增強，支持更遠的傳輸距離。

● 通常情況下，以太網端口兩側的設備電平是不一致的，如果直接相連的話，可能會導致較大的電流從電勢高的設備流向電勢低的設備，造成設備損壞；同時，線路上的瞬態能量變化——如電磁感應和靜電等——也會被傳導給其他設備，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，提升系統整體的穩定性和可靠性。

● 當共模信號經過隔離變壓器時，由于線圈兩端的電壓極性相同，不會形成電流，也就不會將共模信號傳遞至次級線圈，因此LAN變壓器對共模干擾可以起到抑制作用。對于通過線圈間的耦合電容通路傳遞到次級的共模噪聲，可以將共模扼流圈與LAN變壓器配合使用來加以抑制，提升信號的質量。因此，在抑制EMI干擾，優化網絡傳輸環境方面，LAN變壓器也能夠扮演重要的角色。

圖1：LAN變壓器的典型應用

（圖源：Bourns）

LAN變壓器的短板

傳統的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帶有端子引腳的塑料外殼中，形成一個完整的模塊。

圖2：傳統LAN變壓器模塊

（圖源：Bourns）

細心的小伙伴可能已經發現，傳統LAN變壓器采用的是環形鐵氧體磁芯（T型磁芯）。之所以會選擇這種磁芯，是因為其對稱的閉環結構能夠盡可能降低磁通量外漏，因此具有更高的效率，且對外輻射的EMI也更少，性能上的優勢明顯。

不過凡事都有利有弊，采用T型磁芯的傳統LAN變壓器雖然性能好，但是在制造時不可避免地會在繞組過程中使用大量人工，無法實現自動化生產。這一方面不利于提升生產效率和減低生產成本，另一方面手工繞組也比較難于確保產品在電氣性能上的一致性，造成傳統LAN變壓器在傳輸質量上的“不均勻性”。此外，由于傳統LAN變壓器是將變壓器和共模扼流圈兩個磁性元件封裝在一起的模塊，元件的體積較大，對PCB設計上的要求也更高。

上述這些傳統LAN變壓器的短板，在以前也許還可以“忽略”，但是隨著以太網端口數量飛速增長，開發者除性能之外，對于成本、交期、元件尺寸和易用性等其他因素勢必會有更高的訴求，因此彌補傳統LAN變壓器短板，開發出一種替代解決方案勢在必行。

片式LAN變壓器的優勢

能夠滿足新趨勢下新要求的替代品，就是片式變壓器。

圖3：片式LAN變壓器

（圖源：Bourns）

與傳統LAN變壓器采用環形磁芯、多個磁性元件集成封裝的架構相比，片式LAN變壓器的變化主要體現在兩個方面：

● 其一，片式LAN變壓器采用的磁性結構是：先將線圈纏繞在鼓形磁芯上，再通過覆蓋鐵氧體板來“模擬”環形磁芯的閉合磁路，以達到可與傳統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，還可以實現出色的EMI抑制。

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

這種架構設計上的變化，帶來的顯著優勢還在于——它使得在繞組過程中采用自動化先進技術成為了可能，這種基于全自動生產的表面貼裝磁性元件在很大程度上克服了傳統LAN變壓器需要人工生產、產品穩定性低的缺點，大大提高了產品品質和一致性，縮短了交付周期，也為后續大批量自動化的SMT裝配提供了便利。

圖4：傳統與片式LAN變壓器（模塊）的性能比較

（圖源：Bourns）

Bourns片式LAN變壓器方案

正是因為片式LAN變壓器在實際應用和可靠性方面上具有突出優勢，同時還實現了高性能，因此近年來一直是磁性元件界的明星產品。而Bourns公司近期推出的兩款屏蔽式千兆以太網片式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兩個系列，均是外形緊湊、應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，而SM453230-121N7YP則可支持10Gb的網絡。同時，該產品能夠提供1500VAC / 60s的高壓隔離并承受高達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絡設備產品。

值得一提的是，SM453230-x1N7YP片式LAN變壓器還可以支持PoE+以太網供電標準，能夠提供700mA的電流。要知道，想具備PoE+規定的通流能力以及DC偏流的承受力，就需要解決線圈發熱和磁芯飽和的問題，顯然Bourns的方案在這些方面都已經有了很好的對策。

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（見圖7）來減少EMI干擾；即使沒有額外的共模濾波器，中心抽頭也可實現不錯的共模抑制效果，以簡化開發者在EMC設計上的工作。

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變壓器規格

（資料來源：Bourns）

本文小結

最后總結一下：以太網作為當今數字時代的骨架，隨著人們對于數據消費量的不斷攀升，也在勢不可擋地快速發展，由此生發出的新需求傳導到LAN變壓器這個微小的磁性元件上，也會在可制造性、質量的一致性、成本、交期等方面形成不小的挑戰。

從傳統的LAN變壓器向片式LAN變壓器的轉變，可以很好地契合以太網發展趨勢的要求，用一個看似“微小”的改變，去玩轉一個仍在不斷擴張、體量巨大的市場。

審核編輯：湯梓紅