對以太網供電中高頻脈沖網絡變壓器選用不當的擔憂

摘要：以太網供電（PoE）是利用以太網中傳輸高速網絡信號的5類線來輸送直流電，取消上網鏈接的終端要使用的電源，既可以節約成本，又可以對用電設備通過軟件來控制，達到綠色環保的目的。但是，在原有的局域網（LAN）線上加入了直流電流后，多數網絡設備制造商對其中網絡變壓器（LAN transformer）的選擇認識不足，在滿足直流電流加載功能的同時，損傷了電磁兼容（EMC）能力，故此，導致網絡鏈接過程中的斷續問題，這就是本文擔憂之所在。

關鍵詞：局域網絡 脈沖變壓器 以太網供電 電磁兼容性 類非屏蔽雙絞線

中圖分類號：TM433 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）07（c）-0000-00

Concerns about the improper selection of the high frequency pulse transformer in the power over Ethernet network

LI Zong-zheng，LIANG Yong-lin

Shenzhen Group-Tek Electronics Technology Co.， LTD Shenzhen 518108， China

Abstract： The Power over Ethernet （PoE） is the use of Ethernet of the cat5 UTP cable to transfer direct current， do not need an adapter to supply the power to the end use， PoE technique can save cost， and can control the electric devices through network by software， achieve the goal of green environmental protection， but， while the dc current is joined on the original cable of the LAN network， many of the network equipment manufacturers have not understood the choice of the LAN transformer sufficiently， in order to meet the transferring of dc load current function at the same time， damage to the electromagnetic compatibility （EMC）， therefore， lead to intermittent problem in the process of network link， this is the paper concerns.

Key words： Local Area Network （LAN）； Pulse Transformer； Power over Ethernet （PoE）； Electro Magnetic Compatibility （EMC）； Unshielded Twisted Paired catalogue5 （UTP Cat5）

近年來，以太網供電（PoE）這個新的網絡應用越來越多的走進廣大網絡用戶，增加有以太網供電的交換設備更是價格不菲。例如安防系統用的攝像頭，依靠PoE供電技術，只需要一條網線，簡單而且節省空間，并且設備可隨意移動，同時節約成本。視頻監控攝像機等都需要安裝在難以部署AC電源的地方，PoE使其不再需要昂貴電源和安裝電源所耗費的時間，節省了費用和時間。但是，網絡設備和攝像頭里面的網絡變壓器要必須選用適合PoE應用的拓撲線路，才能在PoE電流工作過程中不至于造成電磁干擾而產生EMC問題。作為網絡變壓器生產商，我們無法控制網絡設備制造商如何使用網絡變壓器。但是，我們有責任提出我們的擔憂給客戶減少網絡使用過程中的潛在的EMC問題和鏈接問題。

1 以太網供電網絡中的網絡變壓器也要有PoE功能

作為局域網通訊的基本要求，以太網供電（PoE）功能的交換設備對網絡變壓器的拓撲線路必須能滿足下列功能，同時也是絕大多數主流客戶使用的線路：

（1）保證局域網網絡鏈接。

（2）網絡變壓器和共模濾波器在工作過程中，特別是在PoE電流工作過程中，磁性線圈不會因電流過大而飽和短路。

（3）維持正常的電磁兼容性EMC功能。也就是說，本機不干擾周圍設備，同時也不被周圍設備干擾，否則，在一個干擾環境中網絡通訊設備無法可靠地工作。完成通訊的任務。

2 合理的PoE網絡變壓器基本拓撲線路及分析

圖1 PoE電流在主變壓器中心抽頭中過

這種電路結構，是未來最普遍應用的線路，PoE電流在主變壓器RJ45一邊的中心抽頭（CT=center tap）流入或流出。由于中心抽頭的對稱性，理論上直流電流對T1或T2不產生剩余磁場。故此，T1，T2變壓器不會產生飽和而短路的情況，共模線圈C1，C2不參與PoE電流的輸送，不受PoE電流的影響。

圖2 PoE電流在主變壓器中心抽頭中過，同時經過4線共模線圈

這種電路結構，有少量應用，PoE電流在主變壓器RJ45一邊的中心抽頭（CT=center tap）流入或流出， 由于中心抽頭的對稱性，理論上直流電流對T1或T2不產生剩余磁場。故此，T1，T2變壓器不會產生飽和而短路的情況；同時有電流流過共模線圈C1，但仔細分析發現，C1是一個磁芯上并繞繞4組線圈（圈比是1：1：1：1），與T1相連的兩個線圈中的電流的同與T2相連的線圈中的電流大小相等，方向相反，剛好在C1磁芯中沒有留下直流磁場。所以，這種拓撲線路，PoE電流也對共模線圈C1不產生短路影響。

圖3 PoE電流在3線共模線圈抽頭中流過，同時經過主變壓器再次流過3線共模線圈

這種電路結構，也有少量客戶在使用，PoE電流在3線共模線圈C1和C2中心繞組中流過，再分別到主變壓器T1和T1的中心抽頭，由于同上的原理主變壓器是堆成繞制的，在中心抽頭兩邊的直流磁場相互抵消，C1和C2也是3線并繞（圈比1：1：1），所以在C1和C2中的直流電流磁場也相互抵消，沒有剩余的直流磁場，不會產生磁芯飽和短路的情況。

3 在PoE應用中，一種網絡變壓器使用不當的擔憂及測試分析

圖4 PoE電流經過主變壓器中心抽頭流過2線共模線圈

這種電路結構，有相當一部分客戶在使用，PoE電流經過繞線對稱的主變壓器時沒有剩余直流磁場殘留在T1，T2磁芯里面，但是，不容忽略的是，在C1和C2中的直流磁場不會抵消！這時，原本C1和C2這兩個共模線圈憑借高頻（30MHz～500MHz或更高些）阻抗消除系統EMI噪聲干擾的能力就直的擔憂，為什么直流電流產生的直流磁場不能抵消就會影響共模線圈的抗干擾能力使系統性能降低？這要看共模阻抗是否受到直流磁場的影響？

圖5 不合理PoE應用中網絡變壓器共模阻抗測試方法

經過如圖5所示電路的測試，參考下列測試數據發現，在PoE電流350mA下測試出來的阻抗，在1MHz～1000MHz范圍內，阻抗平均下降了60%以上！

第一個樣品測試數據 第二個樣品測試數據

4 結論

從上面的理論分析和實際測試數據看，只要磁芯中的直流磁場沒有抵消，就會產生可能的共模阻抗的大幅度下降，將嚴重影響實際使用中的設備的EMC性能，故此，不合理的使用作為局域網網絡中網絡變壓器的供應商我們深刻理解這種潛在的風險，可是，相當一部分我們的客戶也就是網絡設備制造商，并不完全理解網絡變壓器的結構和無源磁性器件的應用條件，特此 提出對不合理使用網絡變壓器的擔憂，希望使用網絡變壓器的客戶能關注到這種不合理的應用，盡可能選擇行業達成共識的標準的萬網絡變壓器及應用方式，減少不必要的EMC問題，共同創造綠色干凈的電磁環境，為我國網絡信息化高速發展作出貢獻。

參考文獻

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[3] Pulse engineering datasheet H551-World’s smallest Gigabit Quad/Dual isolation transformer module Designed to Support PoE， Auto MDIX