网络磁性元件的原理及应用

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。
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。