以太網變壓器設計參考LAN FilterDesign Guideline目錄一.設計流程二.基本原理三.機構設計四.基本線路五.材料六.電氣特性七.附註設計流程圖客戶需求研讀客戶需求規格判別是否為現有標準品評估是否值得列入否新標準品而開發是否案子結束是決定機構架構與電子材料設計PCB;決定線圈繞法設計電氣特性製作產品規格製作樣品驗證樣品是否符合規格送樣DQA流程基本原理一.LAN filter其原理與一般變壓器相同,其基本原理不在此贅述IoIiVi V o ZoZiNi/No=Vi/Vo Ni/No=Io/Ii Ni/No=Zi/Zo二.LAN filter在系統上具有傳輸訊號與阻抗匹配的功能如下圖所示,LAN filter另最主要的一個功能在於其Isolation transformer可以隔離異常瞬間高壓防止customer端的IC遭受損壞.另common mode choke則有抑制EMI Noise的功能三.線路架構LAN filter依照速度可以分為下列這三種(註.現今另有10G技術正在發展中,在此暫不說明)1.10BASE-T傳輸速度為10MB(IEEE standard802.3)2.100BASE-T傳輸速度為100MB(IEEE standard802.3u)3.1000BASE-T傳輸速度為1000MB(IEEE standard802.3ab)10Base-T circuit100Base-T circuit100Base-T線路有兩組通道,各自負責輸出(Tx)與接收(Rx )接收輸出由於網路線有跳線與平行線之分別(附註一).在系統上會有AUTO-MDIX(自動判別跳線)功能,此時我們必須建議客戶使用下列線路,也就是Tx與Rx的中間抽頭必須連接在一起.此時系統會自動判別訊號並切換Tx/Rx.狀況.A接收輸出狀況.B 輸出接收1000Base-T Circuit1000Base-T線路有四組通道,可同時輸出或接收.網路線CAT5e每個通道有125MB的頻寬. IEEE802.3ab透過軟體技術,使得每個通道可以同時傳輸兩組訊號,四個通道即可達到1000MB的頻寬.輸出接收輸出接收輸出接收輸出接收機構設計LAN filter依產品接腳方式可分為下列兩種直插式(Through hole or Dip)表面貼片型元件(SMD surface-mount device)各類標準規格如下表DIP類產品在考慮客戶端PCB板厚,Pin長需為 3.00mm設計應該優先腳距2.54SMD類產品的標準腳距為1.27mm,設計時應以此腳距為先LAN filter依照封裝方式可分為Molding type與Case typeMolding type是最為業界廣為接受的封裝方式.唯現今因為系統廠為了要通過RoHS規範(附註二),必須使用較高溫的IR-Reflow製程,常使molding type有龜裂的現象.所以case type也成了解決龜裂的方法之一. Molding Type(線圈以molding compound封裝成形)如圖所示將線圈理在做為接腳的Lead frame上透過治具將molding compound灌入產品加溫加壓成型將Lead frame切彎腳即為完成品二.Case type,泛指將線圈理在已有接腳的Case內,再灌入膠。

基本線路LAN filter基本線路約略有下列四種,依狀況決定該使用何種線路以成本考量,若無其他特性要求以第一種優先並避免使用第四種線路一第一种线路：隔离变压器+CMC的常用电路其中隔离变压器起防高压突波，保护芯片的作用，CMC起抑制EMI NOISE的作用二Isolation transformer第二个线路与第四个线路类似，隔离变压器加三线CHOKE，除了可以达到CMC的功能外，还可以增加耦变压器的功能，可以和BOB S MITH线路匹配，抑制共模信号3wire choke三Isolation transformer第三个线路在第一个线路的基础上增加一个CMC，增加抑制EMI NOISE的能力common mode chokecommon modechoke四第四个线路与第二个线路功能类似，在原来第一个线路的基础上加上自藕变压器，与BBOB SMITH线路匹配，抑制共模信号線材(漆包線)在各種導體線材表面塗上一層或多層之絕緣漆膜，經烘乾成形。

依塗料、漆膜厚度，而各有不同之特性和用途。

主要用途為電機、電子產品、零組件線圈用。

•線材依其coating材質可分UEW與SFBW兩種1.UEW耐溫等級為UL B級135℃,製程上預焊溫度為360℃/2秒2.SFBW耐溫等級為UL F級155℃,製程上預焊溫度為400℃/2秒•線材依coating層厚度由厚到薄可分為四個等級分別為0,1,2,3種線,其中0種線是coating層最厚的一種線可耐3500Vrms.產品設計應採用0種線.•產品的實用線徑為ψ0.08、0.09與0.1mm(此尺寸是指未包含coating層之裸線)•為了方便分辨,線材以顏色做區分.常用的顏色為N(Nature)、B(Blue)、R(Red)、G(Green)•在產品設計上常使用稱為挑線的製程,對於許多高頻特性都有幫助,.如下圖所示變壓器的一側為N&B線;另一側則為R&G線(NB CT指N&B共同中間抽頭;CT:Center Tap)將一次側與二次側的線材交錯依顏色N、R、B、G排列,然後再絞線,如下圖所示NR四線絞BGN R B G……..N R B G•在產品設計上常使用下列兩種抽頭的製程,其中零角度有較好的特性因此被廣為運用設計產品時應以零角度為主1抽頭零角度2.抽頭180度•考量製程方便,Transformer常用鐵心大小與圈數所相對應的建議線徑如下鐵心內徑圈數線徑小於 1.4mm10~150.08mm1.4~1.7mm10~150.09mm小於 1.4mm少於10 1.0mm•在設計POE產品時,其傳遞訊號的線材需ψ0.09~0.10mm.而傳遞電源的線材則需ψ0.18~0.20mm如下圖所示傳遞訊號之線材直徑需為0.09~0.10mm傳遞電源之Power choke其線材直徑需為0.18~0.20mm鐵心•LAN filter 使用的鐵心是環型鐵心(toroid core ),其優點是它有一個封閉的磁場,可提供完美的磁力迴路.以其為材料的變壓器有良好的耦合能力,較小的傳輸損失.•鐵心有錳鋅與鎳鋅材,μi 值1500以上為錳鋅材,以下則為鎳鋅材•常用鐵心則有1.μi =850KS9,常用於common mode choke.2.μi =5000CS5,常用於Isolation transformer.3.μi =4000H40,常用於Isolation transformer.4.μi =10000CS10,常用於Auto transformer.•鐵心的選用1.Isolation transformer 的鐵心需選用耐8mA DC BAIS 的材質,其適合μi 值約為4000~5000常用鐵心表列如下鐵心十碼H40T3.05*2.0*1.784141210248CS5T3.5*1.8*1.84140810448CS5T2.94*1.62*14140633248CS5T3.05*1.27*14141210248KS9T3.6*1.78*1.274140641848KS9T 3.05*1.27*1.274140641548CS10T3.43*1.78*1.274140000348CS5T 3.5*1.8*1.8CS5表材質;T 表Toroid core ;3.5*1.8*1.8=OD*ID*H 2.如果是工業溫度規範(-40℃~85℃)的產品,其Isolation transformer 應選用低溫材膠(Epoxy)可用來絕緣、隔離、固定、增加電容值以及減緩感值的下降名稱顏色使用方法乾燥條件優/缺點用處1204AB膠黑色A膠和B膠1:1混合而成135℃,5min烘乾時間短,有彈性,重工方便/流動性強,易漏膠,附著力差,容易脫離形成膠屑,預熱會膨脹1鐵心用膠2保護電子元件KE-45透明單種膠,用針筒點80℃,1hr 低溫烘烤,有彈性,重工方便/流動性較AB膠強,易漏膠,附著力較AB膠好.預熱膨脹系數較AB膠大Pulse coatingG757膠灰色單種膠,用針筒點135℃,1hr有一定柔韌性,重工方便,沒有流動性,可用固定機構件固定用C2089膠黑色單種膠,用針筒點135℃,1hr 硬度非常強,硬化後比較脆,不可重工,流動性比強,不適合用來大面積的機構固定,也不能固定引線不常用UV膠透明單種膠,用針筒點紫外光照射乾燥方便,柔韌性和硬度皆備,適合固定焊點引線,但是重工困難,單價高不常用•1204AB膠比較經濟適合固定線圈,覆蓋焊點與電子元件.•KE-45膠附著性比較好,線圈繞好線之後點上KE-45膠,可增加鐵心與線材的絕緣效果,避免漆包線破損而造成的耐壓不良,並可以增加感值與容值的穩定.也可用於固定鐵心上的繞線線材.唯獨SMD Molding類產品不能使用KE-45膠.否則易在客戶端過IR時造成龜裂.•G757用於機構的固定.•C2089用於小面積固定用,因其硬度太大,不能用來覆蓋焊點和電子零件•UV膠用於覆蓋焊點,考慮到成本因素和乾燥條件特殊,設計時儘量不要選用這種膠.•凡立水顏色為琥珀色.可分為溶劑型及非溶劑型兩種型態.其滲透性及附差厚度受濃度及粘度影響很大,可依使用目的透當調整.目前使用的類型有BC-346(溶劑型).凡立水主要作用為防潮、絕緣、散熱、固定、保護線路板及美觀.用二甲苯稀釋.用於變壓器內之含浸用鐵心浸泡.其散熱性佳,耐熱等級也高的.故烘烤條件較長.•實際乾燥條件仍須考慮點膠量多寡而定錫材現今業界產品都已經轉移為無鉛料號,切勿使用有鉛錫材SAC305組合成分Sn:Ag:Cu=96.5:3.0:0.5＊唯獨Molding類產品因製程上需有較高的溫度易造成無鉛錫鎔化.故在LAN Filter Molding類的產品內部理線處可使用有鉛高溫錫Pb90/Sn10.這是根據RoHS增補附屬指令允許豁免,條文擷取如下:.電氣特性•電感OCL or Lo(Open Circuit Inductance)測試條件100KHz/0.1V8mA DC BAIS1.OCL的大小會影響到變壓器的耦合能力,過低的OCL會造成波型失真,有較差的Bit Error Rate(附註三)2.在測試條件下,其一次側(PHY side)須大於350μH;Intel則特別規定要大於400μH3.考慮8mA BIAS約會使感值下降15%,鐵心初始感值約有25%的誤差,產品設計的理想感值應約為650uH(650*85%*75%=414uH>400uH)•漏電感L K(Inductance Leakage)測試條件100KHz/0.1V1.測試時須將另一側短路相同條件下,絞線的L k會比未絞線的值小2.•雜散電容Cp測試條件100KHz/0.1V1..雜散電容與線間介質系數成正比,與線間距離成反比2.Cp值是影響Return loss特性一個很重要的參數•L k與C p是影響變壓器性能的主要因素,低L k則會有會有高C p,相同地低C p則會有會有高L k需依照設計時所需特性做取捨.•圈數比(Turn Ratio)1.圈數比是來驗證繞線製程是否正確的重要參數,2.錯誤的圈數比會造成傳輸的波形失真.嚴重者會造成系統端傳輸資料錯誤3.目前絕大多數的料號其圈數比都是1:14.測試圈數比可同時測試相位,如果變壓器某一端的正負腳位錯誤在測圈數比時會顯示負數值.造成波形反向.•直流阻抗(DCR),良好的DCR值設定可以驗證產品是否有短路、斷路與空焊的情形•Insertion loss (插入損失)是指輸入與輸出訊號的電壓比IL =20log (Vi/Vo)其單位為dB ,並以“－”來表示衰減.理想的變壓器其IL 應趨近於零.1.一般規範訂為-1.0dB MXA.@1~100MHz-1.2db MXA.@100~125MHz2.可透過下列方法來改善ILa.Isolation transformer 所有引線抽成零角度b.增加絞線的節數c.挑線•Return Loss (反射損失)是指待測物阻抗與標準阻抗的差距比RL =20log (1/Z);Z =(Zs -Zt)/(Zs +Zt);Zs 為標準阻抗;Zt 為待測物阻抗其單位為dB ,並以“－”來表示衰減.理想的變壓器其RL 應趨近於無限大:產品的標準阻抗為100Ω1.一個理想的RL 測試治具在校正完之後,接上一50Ω電阻,所測得之RL 應趨近於9.45dB (附註四)2.RL 是少數客戶也會在系統上作測試的項目.為了與客戶測試一致,RL 應由二次側(cable side)測試一次側應接100Ω電阻.3.其規範依產品不同而有不同的規範值,設計產品時應加嚴此規範SPEC (MIN.)Frequency 10Base-T15dB 5~10MHz 100Base-T16dB 2~30MHz 16-20log(f/30)dB30~60MHz 10dB 60~80MHz 1000Base-T 16dB 1~40MHz 10-20log(f/80)40~100MHz •Cross Talk (跨擾)是指磁性元件對附近元件所干擾的程度1.一般CT 的規範為30dB Min 1~100MHz ,應視情況加嚴規格2.不良的CT 易造成客戶端傳輸有packet loss 的現象3.CT 不良可以透過拉大相鄰兩組線圈距離或將鐵心排列成兩兩相互垂直來改善CROSS TALKPRI SEC TXPRI NOISESECRX•CMRR(Common Mode Rejection Ratio)共模拒次比此項目將影響客戶端EMI特性•DMCR(Differential to Common Mode Rejection Ratio)差模拒次比此項目將影響客戶端EMI特性•HI-POT(High Potential Test)高壓絕緣測試一般HI-POT定制的規格為1500Vrms,60secconds,為縮短量產測試時間，可將測試電壓值乘於1.2倍(1800Vrms)測試時間則縮短為2seconds)1.PRI to SEC:測試產品一次側與二次側的絕緣能力,測試條件1500Vrms/60sec2.Line to GND,少數有高壓電容的產品則須加測output到接地腳的高壓,測試條件為2250VDC/60sec此項目高壓電容的耐壓能力是主要因素,另外焊點之間的安全距離也是重要因素.如下圖所示網路線兩端RJ45接頭順序相同者為平行線(Straight-through Ethernet cable)如下圖所示網路線兩端RJ45接頭Pin1-2與Pin3-6順序相反者為跳線(crossover Ethernet cable)用於連接電腦(PC)與HUB者使用平行線即可;用於連接兩台電腦則必須使用跳線RoHS是歐盟為了積極推動綠色消費，在2003年公告禁用物質防制法（ROHS）,將在2006年7月1日正式實施.違反此指令者將遭受罰款與刑責.各所有產品必須嚴格執行無鉛製程.RoHS指令簡述如下The RoHS Directivestands for"the restriction of the use of certain hazardous substances in electrical and electronic equipment".This Directive bans the placing on the EU market of new electrical and electronic equipment containing more than agreed levels of lead,cadmium,mercury,hexavalent chromium,polybrominated biphenyl(PBB)and polybrominated diphenyl ether(PBDE)flame retardants. Manufacturers need to understand the requirements of the RoHS Directive to ensure that their products,and their components,comply.附註三附註四。