Преимущества замены стандартных Ethernet-трансформаторов на дискретное решение Chip LAN от Bourns

18 августа 2021

Алексей Катков (г. Санкт-Петербург)

Chip LAN-трансформаторы компании Bourns являются идеальным решением для многих применений на рынке связи, специализированным для Ethernet. Новые семейства SM3 и SM4 полностью совместимы со стандартами группы IEEE 802.3, а функционал упрощает разработчикам создание системы в целом.

Распространение Ethernet в разнообразных информационных системах постоянно растет. Ethernet позволяет компаниям использовать возможности широкой полосы пропускания для работы в сети и обмена данными в реальном времени. Это привело к интеграции Ethernet-трансформаторов в аппаратную часть используемых коммуникационных систем для изоляции и преобразования сигналов.

Высокая надежность, требуемая в системах связи, может быть поставлена под угрозу из-за сигналов от устройств, которые имеют большие мощности. Если в одном устройстве произошел сбой, то потенциально он может распространиться на другие подключенные устройства, ставя под угрозу общую производительность и надежность сети. Перед поставщиками компонентов также стоит задача соответствовать текущим тенденциям в области производства IT-оборудования, таким как миниатюризация, большая серийность выпуска продукции и высокое качество, поэтому важно, чтобы все компоненты таких систем были пригодны для полностью автоматического монтажа.

Новый тип преобразователя Chip-LAN производства Bourns предназначен для IT-оборудования на базе Ethernet. В статье представлена подробная информация о конструкции компонента с центральным выводом, обмотке сердечника и колпачке из ферритовой пластины, а также описаны преимущества конструкции магнитного тракта тороидного сердечника. Также мы рассмотрим технологические достижения, которые делают возможными решения в меньших габаритах с достаточным набором функций и обеспечивают высокое качество преобразования сигнала в устройстве.

LAN-трансформатор

LAN-трансформатор (Local Area Network) – это трансформатор, предназначенный для связи интерфейса между трансивером физического уровня и соединителем RJ45. Типовая схема с применением LAN-трансформатора и приемопередатчика на физическом уровне показана на рисунке 1.

Рис. 1. Типовая схема с применением LAN-трансформатора

LAN-трансформатор предназначен для передачи импульсных сигналов высокой частоты и обеспечения других функций, например, изоляции между входом и выходом. Теоретически схема будет включать в себя импульсный трансформатор и синфазные дроссели, которые позволят ей передавать и принимать сигналы, обеспечивая основные функции связи, согласования, развязки и фильтрации. Все эти возможности обеспечивают качество передачи данных по сети.

Преимущества и недостатки традиционных
LAN-трансформаторов 

Традиционные LAN-трансформаторы обычно представляют собой комбинацию по крайней мере двух частей (рисунок 2):

• импульсного трансформатора (T1);
• синфазного дросселя (T2).

Эти комбинированные части обеспечивают коэффициент передачи 1:1 как в передающем, так и в приемном тракте.

Рис. 2 Традиционный LAN-трансформатор

Традиционные LAN-трансформаторы обычно имеют сердечник тороидальной формы (Т-сердечник), так как трансформаторы на их основе имеют превосходные электрические характеристики.

Преимущество тороидального сердечника в том, что благодаря его симметричной форме с замкнутым контуром величина магнитного потока (потока утечки), выходящего за пределы сердечника, довольно мала. Следовательно, Т-сердечник более эффективен и излучает меньше электромагнитных помех.

Дополнительные преимущества достигаются за счет конструкции LAN-трансформатора (рисунок 3), состоящего из пластикового корпуса с выводами, тороидального ферритового сердечника, эмалированной медной проводки и специальных клеящих материалов.

Рис. 3. Вариант конструкции LAN-трансформатора

Традиционное производство LAN-трансформаторов обычно требует значительного количества ручного труда в процессе намотки, а это может привести к более высоким производственным издержкам и возможному снижению качества. Их производство сложно автоматизировать, следовательно, производители не могут контролировать ожидаемые отклонения электрических параметров вследствие ручного процесса намотки. Таким образом LAN-трансформаторы, производимые традиционным способом, могут демонстрировать определенный разброс электрических параметров от партии к партии и иметь длительный срок поставки.

В качестве примера можно привести готовый модуль SM41126EL. Как видно из рисунка 4, при всех его достоинствах, он обладает внушительными габаритами.

Рис. 4. LAN-трансформатор SM41126EL: а) габаритные размеры; б) внешний вид

Особенности новых Chip LAN-трансформаторов

В свете растущей тенденции передачи все больших объемов данных с высокой скоростью автоматизация производства и согласованность характеристик становятся все более важными требованиями. Благодаря возможности изготавливать данные изделия на полностью автоматизированном производстве, которое обеспечивает более высокое и стабильное качество, новые преобразователи Chip LAN (T1, T2) могут быть оптимальным решением в современных реалиях (таблица 1).

Таблица 1. Преимущества Chip LAN в сравнении с традиционными решениями

Технология	Трансформатор с тороидальным сердечником	Chip LAN-модуль	Дискретное решение
Внешний вид
Особенности IEE	ОК, но могут быть отклонения	ОК	ОК
Тип производства	Ручное	Автоматическое	Автоматическое
Обеспечение ЭМС	Длительно и трудоемко	Быстро	Максимально быстро
Стоимость	Высокая	Средняя	Низкая
Качество	Может быть нестабильным	Стабильное	Стабильное
Срок производства/поставки	Длительный	Короткий	Короткий

В отличие от традиционных LAN-модулей, построенных с использованием нескольких трансформаторов с тороидальным сердечником и синфазных дросселей в одном модуле, Chip LAN-трансформатор представляет собой дискретный компонент с центральным отводом, намотанный на сердечник и покрытый ферритовой пластиной для имитации замкнутого магнитного потока, как в компонентах с тороидальным сердечником (рисунок 5). Chip-индуктивность соединяется с Chip LAN-трансформатором для подавления электромагнитных помех. Пример такого готового решения, предлагаемого компанией Bourns — связка SM453229-381N7Y (выполняет функцию трансформатора) + SRF2012A-801Y (выполняет роль синфазного фильтра).

Рис. 5. Chip LAN-модуль

Инновационная конструкция Chip LAN-трансформатора позволяет магнитному потоку проходить через внутреннюю часть обоих сердечников, что является функциональным эквивалентом тороидального сердечника (рисунок 6).

Рис. 6. Chip LAN-трансформатор

Кроме того, в конструкции Chip LAN-трансформатора используются передовые технологии прецизионной автоматизированной намотки для производства моточных изделий для поверхностного монтажа. Это делает их подходящими для применения на полностью автоматизированном производстве. Chip LAN-трансформаторы в значительной степени лишены недостатков, присущих традиционным сетевым трансформаторам, которые имеют худшие показатели стабильности и требуют значительных людских ресурсов в процессе производства.

Новая конструктивная структура Chip LAN-трансформаторов совместима с процессом поверхностного монтажа на производственной линии заказчика, что обеспечивает высокое и стабильное качество продукции. Длительность производственного цикла также сокращается за счет уменьшения срока поставки компонента.

Преимущества архитектуры Chip LAN:

• данные трансформаторы оптимизированы для упрощенной разработки и отладки;
• упрощают задачу обеспечения ЭМС и оптимизированы под IEEE;
• 3 опции обеспечивают преимущества при производстве оборудования:
  • только импульсный трансформатор;
  • только дроссель подавления синфазных помех;
  • импульсный трансформатор + дроссель подавления синфазных помех.
• экономят место на печатной плате;
• являются прямой заменой традиционным LAN-трансформаторам;
• могут служить 100% заменой по механическим параметрам;
• имеют высокую скорость передачи данных 10/100/1000 Mbps, 2.5 Gbps;
• подходят для полностью автоматического монтажа.

Дополнительная технологичность и надежность, обеспечиваемые Chip LAN-трансформаторами Bourns, делают их идеальным решением для многих применений на рынке связи. Компания Bourns разработала новое семейство Chip LAN-трансформаторов, полностью совместимых со стандартами IEEE 802.3/802.3u и 802.3ab, что делает их оптимальными для рынка Ethernet. Функции, интегрированные в трансформаторы Chip LAN, упрощают разработчикам создание системы в целом (таблица 2).

Подобные решения могут использоваться как в современных телекоммуникационных системах, так и в домашних персональных компьютерах или ноутбуках (рисунок 7).

Рис. 7. Примеры применения дискретного решения от Bourns

Таблица 2. Параметры Chip LAN-трансформаторов производства компании Bourns

Наименование	SM353230-181N7Y	SM453229-231N7Y	SM453229-381N7Y	SM453230-121N7Y	SM453230-181N7Y
Внешний вид и схема
Габариты, мм	3,2×3,5×2,9	3,2×4,7×2,9	3,2×4,7×2,9	3,2×4,7×2,9	3,2×4,7×2,9
Рабочая температура, °C	-40…85	-40…85	-40…85	-40…85	-40…85
Индуктивность, мин., мкГн.	Выводы 1-2 и 6-7, 3-4 — КЗ: 180	Выводы 1-2 и 6-7, 3-4 — КЗ: 230	Выводы 1-2 и 6-7, 3-4 — КЗ: 380	Выводы 1-2 и 6-7, 3-4 — КЗ: 120	Выводы 1-2 и 6-7, 3-4 — КЗ: 180
Коэффициент трансформации	Выводы 1-2, 6-7, 3-4 — КЗ: 1:1 ±3%	Выводы 1-2, 6-7, 3-4 — КЗ: 1:1 ±3%	Выводы 1-2, 6-7, 3-4 — КЗ: 1:1 ±3%	Выводы 1-2, 6-7, 3-4 — КЗ: 1:1 ±3%	Выводы 1-2, 6-7, 3-4 — КЗ: 1:1 ±3%
Паразитная емкость, макс., пФ	Выводы 3-5, 3-4 – КЗ: 35	Выводы 3-5, 3-4 – КЗ: 35	Выводы 3-5, 3-4 – КЗ: 35	Выводы 3-5, 3-4 – КЗ: 21	Выводы 3-5, 3-4 – КЗ: 35
Скорость передачи	1/2.5/5 BASE-T	10/100/1000 BASE-T	10/100/1000 BASE-T	1/2.5/5/10 GbE	1/2.5/5 GbE
Потери на частоте 1…100 МГц., макс., дБ	-1,0	-1,5	-1,5	-3,0	-1,0
Рекомендуемый синфазный фильтр	SRF2012A-801Y	SRF2012A-801Y	SRF2012A-801Y	SRF2012-900YA	SRF2012A-801Y