1、網(wǎng)絡(luò)變壓器的介紹

網(wǎng)絡(luò)變壓器也被稱(chēng)作“數(shù)據(jù)汞”，也可稱(chēng)為網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器。它在一塊網(wǎng)絡(luò)接口上所起的作用主要有兩個(gè)，一是傳輸數(shù)據(jù)，它把PHY送出來(lái)的差分信號(hào)用差模耦合的線圈耦合濾波以增強(qiáng)信號(hào)，并且通過(guò)電磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)換耦合到不同電平的連接網(wǎng)線的另外一端；一是隔離網(wǎng)線連接的不同網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間的不同電平，以防止不同電壓通過(guò)網(wǎng)線傳輸損壞設(shè)備。除此而外，數(shù)據(jù)汞還能對(duì)設(shè)備起到一定的防雷保護(hù)作用。它主要用在網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、路由器、網(wǎng)卡、集線器里面，起到信號(hào)耦合、高壓隔離、阻抗匹配、電磁干擾抑制等作用。

網(wǎng)絡(luò)變壓器用于交換機(jī)和網(wǎng)卡的設(shè)計(jì)拓?fù)鋱D：

以太網(wǎng)設(shè)備在收發(fā)器和網(wǎng)線間使用變壓器，其包含中心抽頭變壓器，自耦變壓器，共模電感。最新的以太網(wǎng)設(shè)備通過(guò)變壓器提供48V電源，采用集成連接器，應(yīng)用越來(lái)越廣泛。這些器件的特性對(duì)于EMI的抑制很關(guān)鍵。

2、網(wǎng)絡(luò)變壓器分類(lèi)

產(chǎn)品依據(jù)結(jié)構(gòu)類(lèi)型，可以分為兩類(lèi):a.離散性網(wǎng)絡(luò)變壓器(DiscreteLAN Magnetics Module)；b.內(nèi)部集成磁性變壓器模塊的RJ45連接器(RJ45 Connector with Integrated Magnetics,ICMs);

產(chǎn)品依據(jù)客戶焊接類(lèi)型，可以分為兩類(lèi):a.表面貼裝元件(SMT,Surface Mount Type)b.插件元件(TH,Through-Hole Type)

產(chǎn)品依據(jù)傳輸速率，可以分類(lèi)四類(lèi):a. 10Base-T,b. 10/100Base-T,c. 1000 Base-T,d. 10G Base-T.

(Base-T: Baseband，雙絞線對(duì)。簡(jiǎn)而言之，Base-T是一種以bps速率工作的局域網(wǎng)（LAN）標(biāo)準(zhǔn)，它通常被稱(chēng)為快速以太網(wǎng)，并使用UTP（非屏蔽雙絞線）銅質(zhì)電纜。快速以太網(wǎng)有三種基本的實(shí)現(xiàn)方式：Base-FX、Base-T、和1Base-T4。每一種規(guī)范除了接口電路外都是相同的，接口電路決定了它們使用哪種類(lèi)型的電纜。為了實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘/數(shù)據(jù)恢復(fù)（CDR）功能，Base-T使用4B/5B曼徹斯特編碼（Manchester Encoding）機(jī)制。)

3、網(wǎng)絡(luò)變壓器的工作原理:

3.1內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1、共模扼流圈（CMC：Common mode Choke）

共模扼流圈(Common mode Choke)，也叫共模扼制電感，是在一個(gè)閉合磁環(huán)上對(duì)稱(chēng)繞制方向相反、匝數(shù)相同的線圈。理想的共模扼流圈對(duì)L（或N）與E之間的共模干擾具有抑制作用，而對(duì)L與N之間存在的差模干擾無(wú)電感抑制作用。但實(shí)際線圈繞制的不完全對(duì)稱(chēng)會(huì)導(dǎo)致差模漏電感的產(chǎn)生。信號(hào)電流或電源電流在兩個(gè)繞組中流過(guò)時(shí)方向相反，產(chǎn)生的磁通量相互抵消，扼流圈呈現(xiàn)低阻抗。共模噪聲電流（包括地環(huán)路引起的騷擾電流，也處稱(chēng)作縱向電流）流經(jīng)兩個(gè)繞組時(shí)方向相同，產(chǎn)生的磁通量同向相加，扼流圈呈現(xiàn)高阻抗，從而起到抑制共模噪聲的作用。共模電感實(shí)質(zhì)上是一個(gè)雙向濾波器：一方面要濾除信號(hào)線上共模電磁干擾，另一方面又要抑制本身不向外發(fā)出電磁干擾，避免影響同一電磁環(huán)境下其他電子設(shè)備的正常工作。

共模扼流圈可以傳輸差模信號(hào)，直流和頻率很低的差模信號(hào)都可以通過(guò)，而對(duì)于高頻共模噪聲則呈現(xiàn)很大的阻抗，所以它可以用來(lái)抑制共模電流騷擾。

共模電感扼流圈是開(kāi)關(guān)電源、變頻器、UPS電源等設(shè)備中的一個(gè)重要部分。其工作原理：當(dāng)工作電流流過(guò)兩個(gè)繞向相反線圈時(shí)，產(chǎn)生兩個(gè)相互抵消的磁場(chǎng)H1、H2，此時(shí)工作電流主要受線圈歐姆電阻以及可忽略不計(jì)的工作頻率下小漏電感的阻尼。如果有干擾信號(hào)流過(guò)線圈時(shí)，線圈即呈現(xiàn)出高阻抗，產(chǎn)生很強(qiáng)的阻尼效果，達(dá)到衰減干擾信號(hào)作用。

CMC抑制共模信號(hào)：

顧名思義，共模扼流圈是用來(lái)抑制共模噪聲信號(hào)（無(wú)用的信號(hào)，干擾信號(hào))的元件，它對(duì)共模噪聲信號(hào)形成高阻抗，而對(duì)差模信號(hào)(有用的信號(hào))基本上無(wú)影響。它是抑制EMI電磁干擾的主要元件，工作原理如下:

共模信號(hào)是指在兩輸入端輸入極性相同的信號(hào)。共模信號(hào)將導(dǎo)致電磁干擾。電磁干擾分為輻射干擾和傳導(dǎo)干擾（進(jìn)入電源線內(nèi)）。信號(hào)傳輸不對(duì)稱(chēng)和阻抗不匹配時(shí)差模信號(hào)轉(zhuǎn)換都將產(chǎn)生數(shù)字終端設(shè)備的共模信號(hào)。

CMC對(duì)差模信號(hào)無(wú)影響：

2、自耦合變壓器(Center Tapped Auto-Transformer)

自耦合變壓器對(duì)差模信號(hào)形成高阻抗，對(duì)共模信號(hào)基本上無(wú)影響，按照以上的接線方式接入線路中，可以有效地進(jìn)行信號(hào)傳輸，繼而進(jìn)一步減少及抑制了電磁干擾。

3、扼流圈工作原理及插入損耗特性（或稱(chēng)阻抗特性）：

變壓器兩腳加上信號(hào)電壓(差模信號(hào))時(shí)，經(jīng)過(guò)磁路耦合作用在變壓器的次級(jí)端感應(yīng)出感生電壓。對(duì)于信號(hào)電壓，由于CMC兩繞組同時(shí)流過(guò)的信號(hào)電流大小相等、方向相反，在CMC的鐵芯磁路中產(chǎn)生了方向相反的磁通，相互抵消，不影響差模信號(hào)傳輸。而此時(shí)變壓器Transformer兩繞組流過(guò)的則是大小相等，方向相同的電流，致使變壓器Transformer的作用相當(dāng)于一個(gè)大的電阻，阻礙差模信號(hào)的通過(guò)，對(duì)載波信號(hào)的傳輸影響極少。所以差模信號(hào)被直接耦合加到負(fù)載上。而對(duì)共模信號(hào)來(lái)說(shuō)，主要是通過(guò)變壓器的初、次級(jí)間的分布電容耦合到次級(jí)，而此時(shí)CMC兩繞組流過(guò)的是大小相等、方向相同的電流，這時(shí)CMC相當(dāng)于一個(gè)大的電阻，阻止共模電流的傳輸，而變壓器Transformer兩繞組則是流過(guò)大小相等、方向相反的電流，對(duì)共模信號(hào)相當(dāng)于短路，這樣共模電壓基本上不會(huì)被傳送，而被耦合到負(fù)載上。從而既能使載波信號(hào)被很好的傳輸，又能抑制共模干擾信號(hào)。

變壓器的中間抽頭。中間抽頭為什么有些接電源？有些接地？這個(gè)主要是使用的phy芯片UTP（雙絞線）口驅(qū)動(dòng)類(lèi)型決定的，有兩種，如果是電壓驅(qū)動(dòng)的就要接電源；如果是電流驅(qū)動(dòng)的就不用了，直接接個(gè)電容到地。為什么有些接2.5v？而有些又接3.3v呢？這個(gè)由PHY芯片資料里規(guī)定的UTP端口電平?jīng)Q定。如果是2.5v的就上拉到2.5v，如果是3.3v的就上拉到3.3v。

4、網(wǎng)絡(luò)變壓器PCB設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)要點(diǎn)：

一、營(yíng)造一個(gè)無(wú)噪音，電源穩(wěn)定的環(huán)境

二、減少EMI、EMC對(duì)芯片的影響

三、簡(jiǎn)單的信號(hào)布線，減小走線長(zhǎng)度

1、上圖中模塊A（電容、電阻）應(yīng)當(dāng)盡可能的靠PHY。模塊B應(yīng)當(dāng)盡可能靠近變壓器.(因?yàn)楫?dāng)發(fā)送時(shí)RTL8201從模塊A吸收電流.而當(dāng)接收時(shí),RTL8201將從模塊B采集差分信號(hào)電壓.

2、RJ-45和變壓器的距離(L1)應(yīng)當(dāng)盡可能的縮短.

3、Rtset信號(hào)應(yīng)當(dāng)盡可能靠近PHY,并且如果可能的話應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)離TX+/-,RX+/-,和時(shí)鐘信號(hào)

4、 晶體不應(yīng)該放置在靠近I/O端口、電路板邊緣和其他的高頻設(shè)備、走線或磁性元件 周?chē)?5、晶體的外殼良好接地，以避免EMC/EMI帶來(lái)的外部噪音,同樣晶體的隔離線 （retaining straps of the Crystal）也需要良好的接地.6、磁性元件或客產(chǎn)生磁場(chǎng)的元件應(yīng)當(dāng)被隔離并且彼此保持90度的方向 . 高電流的元 件應(yīng)當(dāng)靠近電源以減少走線。 高電流走線將產(chǎn)生更多的EMI問(wèn)題 。

7、 終端電阻：如上所述的模塊A和B,模 塊A的電阻電容應(yīng)當(dāng)靠近PHY,兩個(gè) 接收終端電阻可以靠近變壓器。為了更好的阻抗匹配,這些電阻/電容對(duì)應(yīng)當(dāng)仔細(xì)選 擇 。

8、 PHY和 變壓器之間的距離 (L2)也應(yīng)該盡可能的短。為了實(shí)際操作的方便，這一點(diǎn)經(jīng)常被放棄。但是，保持Tx±, Rx±信號(hào)走線得對(duì)稱(chēng)性是非常重要的 ， 而且 L2需要保持在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，最大約10~300px

設(shè)計(jì)實(shí)例：

A、網(wǎng)口變壓器沒(méi)有集成在連接器里的網(wǎng)口電路PCB布局、布線規(guī)則

參考上圖，需要注意下面幾點(diǎn)：

1、變壓器與RJ45之間，PHY層芯片與變壓器之間的距離應(yīng)控制在1inch 內(nèi)。當(dāng)布局條件限制時(shí)，應(yīng)優(yōu)先保證變壓器與RJ45之間的距離在1 inch 內(nèi)。

2、器件布局按照信號(hào)流向放置，切勿繞來(lái)繞去。

3、變壓器下方的地平面要分割，分割線寬度不小于100MIL，網(wǎng)口變壓器放置在GND和PGND的分隔線上。

4、每對(duì)差分走線都要控制走線長(zhǎng)度一致，同時(shí)注意控制阻抗為50歐姆

5、注意PHY層芯片的的數(shù)字地和模擬地統(tǒng)一，數(shù)字電源和模擬電源使用磁珠進(jìn)行隔離。同時(shí)要與變壓器配合。注意PHY芯片的電源濾波，按照芯片要求設(shè)計(jì)。

6、網(wǎng)口指示燈的電源線3.3V或者2.5V來(lái)自于電源平面，要對(duì)它們使用磁珠和電容進(jìn)行退耦；指示燈驅(qū)動(dòng)線要靠近PHY串連電阻，并在進(jìn)入I/O區(qū)域之前進(jìn)行電容濾波。這樣防止噪聲通過(guò)指示燈電源線耦合到差分線對(duì)區(qū)域。

7、指示燈電源線和驅(qū)動(dòng)信號(hào)線要靠近走線，盡量減小環(huán)路面積。見(jiàn)圖左下腳。

8、指示燈線和差分線對(duì)要進(jìn)行必要的隔離，兩者要保證距離足夠遠(yuǎn)，如果必要使用GND平面進(jìn)行隔離。

9、注意網(wǎng)口變壓器芯片側(cè)中心抽頭對(duì)地的濾波電容要盡量靠近變壓器管腳，保證引線最短分布電感最小。

10、用于連接GND和PGND的0歐姆電阻或者電容要放置在地分割線上。

11、PHY芯片的模擬電源不要占用大面積平面，從局部銅皮通過(guò)走線、磁珠、走線拉到變壓器芯片側(cè)中心抽頭上。

12、PHY芯片與變壓器之間已經(jīng)沒(méi)有VDD，將PHY芯片與變壓器之間的平面層區(qū)域定義為GND，這樣可以切斷來(lái)自VDD平面的噪聲途徑。實(shí)際處理見(jiàn)下圖。

13、沿單板PCB的邊緣（不用包住PGND，見(jiàn)圖8）每隔250mil打一個(gè)接地過(guò)孔，這些過(guò)孔排可以切斷單板噪聲向外輻射的途徑，減小對(duì)PGND靜地的影響。

14、單板的PGND、GND通過(guò)鏍孔和結(jié)構(gòu)相連接，保證系統(tǒng)地電位的統(tǒng)一。

15、保證電源平面和地平面之間的良好退耦（低阻），電源平面最好和地平面相鄰。 16、和電源平面相鄰的信號(hào)線不要超出電源平面的投影區(qū)域。

17、要保證和電源平面相鄰的信號(hào)線的回流路徑的完整性，否則就要改變平面的形狀，使得信號(hào)線處在平面層內(nèi)，回流路徑的不完整會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的EMC問(wèn)題。

18、推薦把所有的高速信號(hào)線、I/O線、差分線對(duì)優(yōu)先靠近地平面走線，如果無(wú)法實(shí)現(xiàn)才以電源平面作為參考平面。

19、差分線要遠(yuǎn)離其它信號(hào)線，放置其它信號(hào)線把噪聲耦合到差分線上。 20、為了減小差分信號(hào)的噪聲，數(shù)字信號(hào)線或電源要遠(yuǎn)離模擬信號(hào)線或電源。

21、電源的去耦和旁路是十分重要的，它們可以為信號(hào)提供一個(gè)低阻抗通路，減小電源和地平面間的諧振。電容可以起到去耦和旁路的作用，但要保證退耦和旁路電容由電容、走線、過(guò)孔、焊盤(pán)組成的環(huán)路的面積盡量小，保證引線電感盡量小，見(jiàn)下圖所示：

從上圖可見(jiàn)，最右邊的情況有最小的環(huán)路面積。

從上圖可見(jiàn)，左邊的布局中，電容要通過(guò)長(zhǎng)線連接到平面上，存在很大的引線電感；而右邊的布局中，退耦電容連線很短，保證了低引線電感的要求。

B、采用一體化連接器的網(wǎng)口電路PCB布局、布線規(guī)則

一體化連接器因?yàn)轶w積小，性能好的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用越來(lái)越廣泛。通過(guò)實(shí)際的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)在一體化連接器可以有效降低網(wǎng)口的EMI。

從上圖可以看出，不同在于少了網(wǎng)口變壓器，其它大都相同。下面只針對(duì)不同點(diǎn)進(jìn)行描述。

1、網(wǎng)口變壓器是隔離器件，用于切斷共模，因?yàn)橐呀?jīng)被集成在連接器里，所以地平面不再進(jìn)行分割處理。

2、 一體化連接器的外殼應(yīng)該連接到連續(xù)的地平面上。不要在連接器下面創(chuàng)建機(jī)架地。 3、 單板周?chē)扛?50mil打接地過(guò)孔，將單板噪聲屏蔽在板內(nèi)。

C、電源、地平面的布局

盡管我們一直建議電源和地平面相鄰，但是一些對(duì)價(jià)格敏感的單板可能并不能做到。下面的建議可以一定程度上減小電源的阻抗。見(jiàn)下圖：

電源層power2并沒(méi)有與地平面相鄰，對(duì)地阻抗可能較大，如果退耦不合理就會(huì)帶來(lái)EMC問(wèn)題。而且，如果POWER2層被同時(shí)分成多個(gè)電壓區(qū)域，跨這些區(qū)域的信號(hào)線就會(huì)因?yàn)榛亓髀窂讲贿B續(xù)產(chǎn)生較大的環(huán)路面積，從而導(dǎo)致出現(xiàn)EMC問(wèn)題。

如果我們?cè)趇nner4層和bottom層進(jìn)行地填充，就可以一定程度的降低電源的阻抗，為信號(hào)線創(chuàng)造低阻抗通路。

D、差分線對(duì)布局、布線要求

差分線對(duì)以差分形式存在，具有很強(qiáng)的共模抑制能力，但是如果布局布線不當(dāng)，差模就可以轉(zhuǎn)化為共模，帶來(lái)共模噪聲。因此對(duì)差分線的處理要注意：

2、 差分線對(duì)間的距離要保持一致，大約等于線寬。 3、 差分線的特征阻抗要控制在100歐姆±10％。 4、建議在內(nèi)層走線，并盡量和地平面相鄰。

5、 保持差分線對(duì)的對(duì)稱(chēng)，任何不對(duì)稱(chēng)都會(huì)造成差模向共模的轉(zhuǎn)變。

E、差分信號(hào)終端電阻、濾波電容的布局、布線

49.9歐姆的終端電阻（有的PHY可能沒(méi)有）必須靠近PHY芯片的TX和RX管腳放置，兩個(gè)終端電阻的中間必須和地以盡可能短的連線相連。如下圖所示：

如上圖所示：右側(cè)的兩個(gè)4.7PF電容對(duì)于高頻噪聲具有良好的抑制能力，但是只有保證了電容引線的低電感，才能起到應(yīng)由的作用。兩個(gè)濾波電容必須良好對(duì)稱(chēng)，保證平衡，否則差模可能轉(zhuǎn)成共模，帶來(lái)共模噪聲。使用中還要注意，電容的取值不能太大，太大的電容會(huì)影響信號(hào)的質(zhì)量甚至功能。

另外，這兩個(gè)4～7PF的電容可以通過(guò)平面來(lái)產(chǎn)生，大家知道，平面電容的分布電感是十分低的，在與地平面相鄰的信號(hào)層無(wú)走線區(qū)域打一塊補(bǔ)丁，就可以產(chǎn)生一個(gè)高性能電容。見(jiàn)下圖：

F、選擇高共模抑制能力的變壓器

變壓器的共模抑制能力可以降低差模向共模的轉(zhuǎn)變，但是在變壓器的datasheet里一般并不會(huì)列出EMC測(cè)試范圍內(nèi)的共模抑制性能。這樣給變壓器的選擇帶來(lái)困難。

1、選擇在線路側(cè)有共模呃流圈的變壓器。

2、 使用支持自協(xié)商的變壓器可能會(huì)降低共模抑制能力，這種變壓器的收、發(fā)對(duì)稱(chēng)，而且收、發(fā)線圈的中心抽頭連接在一起。

變壓器線路側(cè)的共模電阻和高壓電容

變壓器線路側(cè)的75歐姆電阻和高壓電容為UTP電纜提供了共模通路，在布局、布線時(shí)注意：

1、 把這些共模電阻靠近變壓器中心抽頭放置。

2、 電阻和電容的連接要使用短而粗的走線（10～15mil）。按照變壓器結(jié)構(gòu)的不同，主要可以分為下面兩種情況：

對(duì)于上圖1的情況，推薦電阻的值取75歐姆，但這樣做的前提是保證機(jī)架地是靜地。對(duì)于下圖2的情況，推薦電阻的值取0歐姆。

G、改變差分線號(hào)的傳輸波形

某些PHY芯片可以通過(guò)設(shè)置特定管腳內(nèi)部的寄存器改變信號(hào)的上升、下降沿。一定程度的減緩信號(hào)的上升沿（或下降沿）可以一定長(zhǎng)度的減少EMI。

5、網(wǎng)口防雷電路設(shè)計(jì)

網(wǎng)口的防雷可以采用兩種思路：一種思路是要給雷電電流以泄放通路，把高壓在變壓器之前泄放掉，盡可能減少對(duì)變壓器影響，同時(shí)注意減少共模過(guò)電壓轉(zhuǎn)為差模過(guò)電壓的可能性。另一種思路是利用變壓器的絕緣耐壓，通過(guò)良好的器件選型與PCB設(shè)計(jì)將高壓隔離在變壓器的初級(jí)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)接口的隔離保護(hù)。下面的室外走線網(wǎng)口防雷電路和室內(nèi)走線網(wǎng)口防雷電路就分別采用的是這兩種思路。

室外走線網(wǎng)口防雷電路

當(dāng)有可能室外走線時(shí)，端口的防護(hù)等級(jí)要求較高，防護(hù)電路可以按圖7-8設(shè)計(jì)。

室外走線網(wǎng)口防護(hù)電路

圖a給出的是室外走線網(wǎng)口防護(hù)電路的基本原理圖，從圖中可以看出該電路的結(jié)構(gòu)與室外走線E1口防雷電路類(lèi)似。共模防護(hù)通過(guò)氣體放電管實(shí)現(xiàn)，差模防護(hù)通過(guò)氣體放電管和TVS管組成的二級(jí)防護(hù)電路實(shí)現(xiàn)。圖中G1和G2是三極氣體放電管，型號(hào)是3R097CXA，它可以同時(shí)起到兩信號(hào)線間的差模保護(hù)和兩線對(duì)地的共模保護(hù)效果。中間的退耦選用2.2Ω/2W電阻，使前后級(jí)防護(hù)電路能夠相互配合，電阻值在保證信號(hào)傳輸?shù)那疤嵯卤M可能往大選取，防雷性能會(huì)更好，但電阻值不能小于2.2Ω。后級(jí)防護(hù)用的TVS管，因?yàn)榫W(wǎng)口傳輸速率高，在網(wǎng)口防雷電路中應(yīng)用的組合式TVS管需要具有更低的結(jié)電容，這里推薦的器件型號(hào)為SLVU2.8-4。圖b就是采用上述器件網(wǎng)口部分的詳細(xì)原理圖。

三極氣體放電管的中間一極接保護(hù)地PGND，要保證設(shè)備的工作地GND和保護(hù)地PGND通過(guò)PCB走線在母板或通過(guò)電纜在結(jié)構(gòu)體上匯合（不能通過(guò)0Ω電阻或電容），這樣才能減小GND和PGND的電位差，使防雷電路發(fā)揮保護(hù)作用。

電路設(shè)計(jì)需要注意RJ45接頭到三極氣體放電管的PCB走線加粗到40mil，走線布在TOP層或BOTTOM層。若單層不能布這么粗的線，可采取兩層或三層走線的方式來(lái)滿足走線的寬度。退耦電阻到變壓器的PCB走線建議采用15mil線寬。

該防雷電路的插入損耗小于0.3dB，對(duì)100M以太網(wǎng)口的傳輸信號(hào)質(zhì)量影響比較小。

室內(nèi)走線網(wǎng)口防雷電路

當(dāng)只在室內(nèi)走線時(shí)，防護(hù)要求較低，因此防雷電路可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，如圖所示，a是室內(nèi)走線網(wǎng)口防護(hù)電路的基本原理圖，圖b是防護(hù)器件選用SLVU2.8-4時(shí)網(wǎng)口部分的詳細(xì)原理圖。

室內(nèi)走線網(wǎng)口防護(hù)電路

RJ45接頭的以太網(wǎng)信號(hào)電纜是平衡雙絞線，感應(yīng)的雷電過(guò)電壓以共模為主，如果能夠?qū)^(guò)電壓進(jìn)行有效的防護(hù)，差模的防護(hù)選用小量級(jí)的器件就可以了，通常可以選用SLVU2.8-4,它可以達(dá)到差模0.5kV（1.2/50us）的防護(hù)能力，但是當(dāng)產(chǎn)品目標(biāo)包括北美市場(chǎng)時(shí)，差模防護(hù)器件推薦選用LC03-3.3,它可以滿足NEBS認(rèn)證的需求。

我們從共模防護(hù)的角度對(duì)這兩種電路做一下比較。室外的電路采用氣體放電管實(shí)現(xiàn)共模的防護(hù)，當(dāng)端口處有共模過(guò)電壓產(chǎn)生時(shí)，通過(guò)擊穿氣體放電管轉(zhuǎn)化成過(guò)電流并泄放，從而達(dá)到保護(hù)的目的。而圖7-9中的網(wǎng)口防護(hù)電路只設(shè)計(jì)了差模的防護(hù)電路，沒(méi)有設(shè)計(jì)共模的防護(hù)電路，它在端口的共模防護(hù)上采用就是我們前面說(shuō)的隔離保護(hù)的思路，它利用網(wǎng)口變壓器的隔離特性實(shí)現(xiàn)端口的共模防護(hù)。當(dāng)端口處有過(guò)電壓產(chǎn)生時(shí)，這個(gè)過(guò)電壓會(huì)加到網(wǎng)口變壓器的初級(jí)，由于變壓器有一定的隔離特性，只要過(guò)電壓不超過(guò)變壓器初級(jí)與次級(jí)的耐壓能力而被擊穿，過(guò)電壓會(huì)完全被隔離在初級(jí)側(cè)，從而對(duì)次級(jí)側(cè)基本不造成影響，達(dá)到端口保護(hù)的目的。

從上述原理可以看出，室內(nèi)防護(hù)這種電路的共模防護(hù)主要靠變壓器前級(jí)的PCB走線以及變壓器的絕緣耐壓實(shí)現(xiàn)，因此要嚴(yán)格注意器件的選型和PCB的設(shè)計(jì)。

首先，在以太網(wǎng)口電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)樹(shù)立高壓線路和低壓線路分開(kāi)的意識(shí)。其中變壓器接外線側(cè)的以太網(wǎng)差分信號(hào)線、Bob-Smitch電路是直接連接到RJ45接頭上的，容易引入外界的過(guò)電壓（如雷電感應(yīng)等），是屬于高壓信號(hào)線。而指示燈控制線、電源、GND是由系統(tǒng)內(nèi)提供，屬于低壓線路。

根據(jù)網(wǎng)口連接器不同，網(wǎng)口電路分為帶燈和不帶燈兩種，其中尤以帶燈連接器的網(wǎng)口防雷問(wèn)題更為突出，因此下面以網(wǎng)口帶燈電路為例具體說(shuō)明如何區(qū)分高壓線路與低壓線路。

網(wǎng)口帶燈的典型電路如下圖所示：

網(wǎng)口部分電路組成

當(dāng)網(wǎng)線上遭受感應(yīng)雷擊時(shí)，會(huì)在8根網(wǎng)線上同時(shí)產(chǎn)生過(guò)電壓。從安全的角度分析，應(yīng)把網(wǎng)口部分分為高壓區(qū)和低壓區(qū)，如上圖所示，虛線框內(nèi)即為高壓區(qū)。因此網(wǎng)線感應(yīng)雷電時(shí)主要在高壓區(qū)有比較高的過(guò)電壓。但是，在高壓區(qū)僅有8根網(wǎng)線和相連的網(wǎng)絡(luò)為高壓線，而指示燈驅(qū)動(dòng)線、3.3V供電電源、連接器外殼地PGND為低壓線，網(wǎng)口電路Bob-Smith電路中匹配電阻屬于高壓，指示燈限流電阻屬于低壓范圍，變壓器線纜側(cè)中間抽頭電容一端為高壓端，接PGND的一端為低壓端。

其次，網(wǎng)口防雷電路在器件選型和PCB設(shè)計(jì)過(guò)程中要注意以下幾點(diǎn)：

為了保證共模隔離耐壓的承受能力，變壓器需要滿足初級(jí)和次級(jí)之間的交流絕緣耐壓不小于AC1500V的指標(biāo)。

優(yōu)先選擇不帶燈的RJ45，要引燈的話，建議采用導(dǎo)光柱技術(shù)在芯片側(cè)將指示燈的光線引到面板上，避免指示燈控制信號(hào)穿越高壓信號(hào)線和Bob-Smitch電路所在的區(qū)域。

指示燈控制電路的限流電阻應(yīng)放在控制芯片側(cè)，位置靠近控制芯片，防止過(guò)電壓直接對(duì)控制芯片造成沖擊。

以太網(wǎng)信號(hào)線按照差分線走線規(guī)則，保證阻抗匹配，并且一對(duì)差分線的長(zhǎng)度盡量一樣長(zhǎng)。

如果變壓器前級(jí)（靠RJ45接頭側(cè)）有中間抽頭并且采用Bob-Smith電路，即75Ω電阻加一個(gè)1000pF的接PGND的電容。建議電容選取耐壓大于DC2000V，電阻功率建議選擇1/10W的單個(gè)電阻，不宜采用排阻。

一個(gè)以太網(wǎng)接口采用一個(gè)Bob-Smitch電路，避免將多個(gè)以太網(wǎng)接口的Bob-Smitch電路復(fù)接在一起。

對(duì)于PCB層數(shù)大于6層的單板，由于相鄰層的絕緣材料小于12mil，因此高壓線和低壓線不應(yīng)布在相鄰層，更不應(yīng)交叉或近距離并行走線。

由于通過(guò)變壓器的隔離特性完成共模防護(hù)，所以高壓信號(hào)線（差分線和Bob-Smitch電路走線）和其它信號(hào)線（指示燈控制線）、電源線、地線之間應(yīng)該保證足夠的絕緣，不存在意外的放電途徑。

最后，要達(dá)到高壓區(qū)與低壓區(qū)之間有效的隔離，就要重視二者之間的PCB走線設(shè)計(jì)。在高壓區(qū)，帶高壓的可能有：連接器管腳、布線、過(guò)孔、電阻焊盤(pán)、電容焊盤(pán)。帶低壓的可能有：布線、過(guò)孔、電阻焊盤(pán)、螺釘。根據(jù)測(cè)試結(jié)果和分析，我們總結(jié)得到在網(wǎng)口PCB部分高低壓各種形式兩兩之間的絕緣耐壓數(shù)據(jù)，具體如下表（表中給出的是高壓與低壓部分距離為10mil時(shí)候的耐壓情況）：

絕緣耐壓測(cè)試結(jié)果

注：上表中紅色數(shù)據(jù)為直接試驗(yàn)得到，黑色數(shù)為據(jù)根據(jù)試驗(yàn)和具體情況分析得到。藍(lán)色數(shù)據(jù)為原理分析數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)過(guò)程中建議按照該數(shù)值進(jìn)行設(shè)計(jì)。

從表中可以看出，對(duì)于相同的絕緣距離，耐壓能力為接地螺釘< 電容、電阻焊盤(pán) < 走線過(guò)孔 < 表層走線 < 內(nèi)層走線，因此當(dāng)共模防護(hù)指標(biāo)一定時(shí)，高壓部分與低壓部分的絕緣距離應(yīng)該為接地螺釘 > 電容、電阻焊盤(pán) > 走線過(guò)孔 > 表層走線 > 內(nèi)層走線。這是因?yàn)槁葆斦麄€(gè)為金屬體，暴露面積比較大，容易成為放電通路。電容和電阻焊接兩端表面為金屬，同時(shí)由于形狀為長(zhǎng)方體，有棱角，很容易形成尖端放電。過(guò)孔在網(wǎng)口部分有很多，表面是亮錫的，也容易產(chǎn)生擊穿放電，但與電阻和電容焊接兩端相比較，金屬面積相對(duì)就小一些。PCB板的表層走線涂有絕緣綠油，內(nèi)層的走線有介質(zhì)包圍，相對(duì)上面幾種，耐壓能力就應(yīng)該高一點(diǎn)。

在設(shè)計(jì)中，根據(jù)具體產(chǎn)品要求的抗浪涌等級(jí)，利用表7-1中的數(shù)據(jù)，就可以推算出PCB設(shè)計(jì)需要控制的各種絕緣距離。給出了在防護(hù)等級(jí)是4kV的時(shí)候，PCB設(shè)計(jì)要達(dá)到的安全絕緣距離。

表PCB設(shè)計(jì)安全絕緣距離數(shù)據(jù)（按照4KV耐壓進(jìn)行計(jì)算）

綜上所述，采用圖室內(nèi)的防護(hù)電路，通過(guò)良好的器件選型和PCB設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)共模2kV（1.2/50us，最高可達(dá)4kV），差模0.5kV（1.2/50us）的防護(hù)能力。它可以應(yīng)用于絕大多數(shù)室內(nèi)走線的情況，特別是對(duì)于接入和終端設(shè)備，在實(shí)際使用中以太網(wǎng)線不采用屏蔽電纜，而且安裝使用長(zhǎng)度大于50米，在網(wǎng)口的防護(hù)電路設(shè)計(jì)過(guò)程中宜對(duì)以上問(wèn)題加以重視。

對(duì)于網(wǎng)口的防護(hù)，除了采用以上的圖7-8和圖7-9中的兩種電路外，還有利用RJ45接頭管腳前端放電設(shè)計(jì)、利用變壓器中心抽頭空氣放電設(shè)計(jì)和利用變壓器中心抽頭采用放電管放電設(shè)計(jì)等防護(hù)方式，特點(diǎn)均是利用絕緣放電實(shí)現(xiàn)防護(hù)、成本低、PCB占用空間小.

其他問(wèn)題解答：

在以太網(wǎng)設(shè)備中，通過(guò)PHY接RJ45時(shí)，中間都會(huì)加一個(gè)網(wǎng)絡(luò)變壓器。有的變壓器中心抽頭接到地。而且接電源時(shí)，電源值又可以不一樣，3.3V，2.5V，1.8V都有。這個(gè)變壓器的作用分析如下：

中間抽頭為什么有些接電源？有些接地？

這個(gè)主要是與使用的PHY芯片UTP口驅(qū)動(dòng)類(lèi)型決定的，這種驅(qū)動(dòng)類(lèi)型有兩種，電壓驅(qū)動(dòng)和電流驅(qū)動(dòng)。電壓驅(qū)動(dòng)的就要接電源；電流驅(qū)動(dòng)的就直接接個(gè)電容到地即可！所以對(duì)于不同的芯片，中心抽頭的接法，與PHY是有密切關(guān)系的，具體還要參看芯片的datasheet和參考設(shè)計(jì)了。

為什么接電源時(shí)，又接不同的電壓呢？

這個(gè)也是所使用的PHY芯片資料里規(guī)定的UTP端口電平?jīng)Q定的。決定的什么電平，就得接相應(yīng)的電壓了。即如果是2.5v的就上拉到2.5v，如果是3.3v的就上拉到3.3v。

3.這個(gè)變壓器到底是什么作用呢，可不可以不接呢？

從理論上來(lái)說(shuō)，是可以不需要接變壓器，直接接到RJ45上，也是能正常工作的。但是呢，傳輸距離就很受限制，而且當(dāng)接到不同電平網(wǎng)口時(shí)，也會(huì)有影響。而且外部對(duì)芯片的干擾也很大。當(dāng)接了網(wǎng)絡(luò)變壓器后，它主要用于信號(hào)電平耦合。其一，可以增強(qiáng)信號(hào)，使其傳輸距離更遠(yuǎn)；其二，使芯片端與外部隔離，抗干擾能力大大增強(qiáng)，而且對(duì)芯片增加了很大的保護(hù)作用（如雷擊）；其三，當(dāng)接到不同電平（如有的PHY芯片是2.5V，有的PHY芯片是3.3V）的網(wǎng)口時(shí)，不會(huì)對(duì)彼此設(shè)備造成影響。