【導(dǎo)讀】憑借著性能出色、連接簡單、生態(tài)完善等優(yōu)勢，以太網(wǎng)已經(jīng)成為了局域網(wǎng)（LAN）領(lǐng)域通用的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，并伴隨著數(shù)據(jù)消費量的迅速增長，不斷快速演進(jìn)。
今天以太網(wǎng)的發(fā)展趨勢，體現(xiàn)在三個方面：
● 性能越來越高：目前10/100Gbps的以太網(wǎng)已經(jīng)成為主流技術(shù)，400Gbps技術(shù)也已經(jīng)在跑步趕來。在提升傳輸速率這件事上，以太網(wǎng)從未放慢腳步。
● 應(yīng)用越來越廣：除了數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域外，以太網(wǎng)還正在進(jìn)入工業(yè)自動化控制、車載網(wǎng)絡(luò)這些對實時性、確定性要求苛刻的領(lǐng)域。TSN（時間敏感型網(wǎng)絡(luò)）等技術(shù)正在努力讓以太網(wǎng)去適應(yīng)這些新場景的要求，單一以太網(wǎng)架構(gòu)“一統(tǒng)天下”的局面正在成為現(xiàn)實。
● 功能日趨多樣化：除了傳輸數(shù)據(jù)外，藉由以太網(wǎng)供電（PoE）技術(shù)，以太網(wǎng)在同一介質(zhì)上也可承擔(dān)電能傳輸職責(zé)，這就使得以太網(wǎng)終端設(shè)備的部署更容易，也讓以太網(wǎng)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(dāng)長的一段時間內(nèi)，以太網(wǎng)端口的增長還將保持相當(dāng)大的加速度，而相關(guān)元器件的需求也會持續(xù)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(wǎng)連接端口中卻是不可或缺的存在——它就是網(wǎng)絡(luò)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(fā)器和RJ45連接器的接口，主要起到信號調(diào)理和隔離的作用，以實現(xiàn)更高的信號質(zhì)量，保證更可靠的網(wǎng)絡(luò)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(zhuǎn)換耦合到連接網(wǎng)線的另外一端。在這個看似“簡單”的過程中，LAN變壓器卻發(fā)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(qiáng)，支持更遠(yuǎn)的傳輸距離。
● 通常情況下，以太網(wǎng)端口兩側(cè)的設(shè)備電平是不一致的，如果直接相連的話，可能會導(dǎo)致較大的電流從電勢高的設(shè)備流向電勢低的設(shè)備，造成設(shè)備損壞；同時，線路上的瞬態(tài)能量變化——如電磁感應(yīng)和靜電等——也會被傳導(dǎo)給其他設(shè)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(tǒng)整體的穩(wěn)定性和可靠性。
● 當(dāng)共模信號經(jīng)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(zhì)量。因此，在抑制EMI干擾，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)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(yīng)用
（圖源：Bourns）
LAN變壓器的短板
傳統(tǒng)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(tǒng)LAN變壓器模塊
（圖源：Bourns）
細(xì)心的小伙伴可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)LAN變壓器采用的是環(huán)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(huán)結(jié)構(gòu)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(yōu)勢明顯。
不過凡事都有利有弊，采用T型磁芯的傳統(tǒng)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(xiàn)自動化生產(chǎn)。這一方面不利于提升生產(chǎn)效率和減低生產(chǎn)成本，另一方面手工繞組也比較難于確保產(chǎn)品在電氣性能上的一致性，造成傳統(tǒng)LAN變壓器在傳輸質(zhì)量上的“不均勻性”。此外，由于傳統(tǒng)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(shè)計上的要求也更高。
上述這些傳統(tǒng)LAN變壓器的短板，在以前也許還可以“忽略”，但是隨著以太網(wǎng)端口數(shù)量飛速增長，開發(fā)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(bǔ)傳統(tǒng)LAN變壓器短板，開發(fā)出一種替代解決方案勢在必行。
片式LAN變壓器的優(yōu)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(tǒng)LAN變壓器采用環(huán)形磁芯、多個磁性元件集成封裝的架構(gòu)相比，片式LAN變壓器的變化主要體現(xiàn)在兩個方面：
● 其一，片式LAN變壓器采用的磁性結(jié)構(gòu)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(huán)形磁芯的閉合磁路，以達(dá)到可與傳統(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)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(gòu)設(shè)計上的變化，帶來的顯著優(yōu)勢還在于——它使得在繞組過程中采用自動化先進(jìn)技術(shù)成為了可能，這種基于全自動生產(chǎn)的表面貼裝磁性元件在很大程度上克服了傳統(tǒng)LAN變壓器需要人工生產(chǎn)、產(chǎn)品穩(wěn)定性低的缺點，大大提高了產(chǎn)品品質(zhì)和一致性，縮短了交付周期，也為后續(xù)大批量自動化的SMT裝配提供了便利。
圖4：傳統(tǒng)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(yīng)用和可靠性方面上具有突出優(yōu)勢，同時還實現(xiàn)了高性能，因此近年來一直是磁性元件界的明星產(chǎn)品。而Bourns公司近期推出的兩款屏蔽式千兆以太網(wǎng)片式LAN變壓器系列，可謂是“明星中的明星”。
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(yīng)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(wǎng)，而SM453230-121N7YP則可支持10Gb的網(wǎng)絡(luò)。同時，該產(chǎn)品能夠提供1500VAC / 60s的高壓隔離并承受高達(dá)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(wǎng)絡(luò)設(shè)備產(chǎn)品。
值得一提的是，SM453230-x1N7YP片式LAN變壓器還可以支持PoE+以太網(wǎng)供電標(biāo)準(zhǔn)，能夠提供700mA的電流。要知道，想具備PoE+規(guī)定的通流能力以及DC偏流的承受力，就需要解決線圈發(fā)熱和磁芯飽和的問題，顯然Bourns的方案在這些方面都已經(jīng)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(xiàn)不錯的共模抑制效果，以簡化開發(fā)者在EMC設(shè)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(guī)格
（資料來源：Bourns）
本文小結(jié)
最后總結(jié)一下：以太網(wǎng)作為當(dāng)今數(shù)字時代的骨架，隨著人們對于數(shù)據(jù)消費量的不斷攀升，也在勢不可擋地快速發(fā)展，由此生發(fā)出的新需求傳導(dǎo)到LAN變壓器這個微小的磁性元件上，也會在可制造性、質(zhì)量的一致性、成本、交期等方面形成不小的挑戰(zhàn)。
從傳統(tǒng)的LAN變壓器向片式LAN變壓器的轉(zhuǎn)變，可以很好地契合以太網(wǎng)發(fā)展趨勢的要求，用一個看似“微小”的改變，去玩轉(zhuǎn)一個仍在不斷擴(kuò)張、體量巨大的市場。
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