在数字化浪潮席卷全球的今天，网络连接已成为支撑现代社会运转的关键基础设施。10M,100M,1000M，2.5G，5G，10G网已经成为了我们的日常，网络也是我们获取外面信息的一个非常重要的渠道。这里主要针对PHY芯片—>变压器—>RJ45进行介绍。

一  定义

物理层芯片（PHY）

PHY芯片是计算机网络和通信设备中的一种重要芯片，其物理层定义了数据传送与接收所需要的光电信号、线路状态、时钟基准、数据编码等电路，并向数据链路层设备提供标准接口。一般PHY芯片为模数混合电路，PHY芯片将数字信号转换为模拟信号，并把它发送到通信介质（如双绞线、光缆等）上；同时从接收的光、电这类模拟信号中恢复出数字信号，经过解调和A/D转换后通过MII，RMII，GMII，RGMII等介质接口将信号交给MAC芯片进行处理。一般MAC芯片为纯数字电路。

PHY在发送数据时，收到MAC发过来的数据，然后把并行数据转化为串行数据，再按照物理层的编码规则对数据进行编码，再经过D/A转化通过模拟信号传输出去。接收时流程相反。

PHY的作用：

•       信号转换与传输‌：PHY芯片能够实现数字信号与模拟信号之间的转换，并通过通信介质进行高效、稳定的传输。

•       网络介质监测‌：它能够监测网络介质上的信号质量，并根据需要调整发送功率、电流等参数，以确保数据传输的稳定性和可靠性。

•       协议支持‌：PHY芯片支持多种网络协议，如以太网、快速以太网等，这使得它能够在不同的网络环境中正常工作，并与其他设备进行无缝连接。

•       自动协商‌：它具备自动协商功能，能够与其他设备进行通信速率、工作模式等参数的协商，以实现最佳的网络性能。

PHY芯片的内部结构可参考下图RTL8211F的内部组成结构。

电流型PHY

电流型PHY指PHY芯片把MAC给的数据进行串并转换，编码后经DAC输出，而DAC为电流型输入，即芯片为电流型PHY。电流型PHY工作原理：由于PHY芯片的DAC为电流型输入，即需在外部提供一个偏置电压，再由PHY芯片将编码后的数据以差分电流的形式输出，并在100Ω电阻上产生其对应的电压，最后再通过网变压器把信号传出。有的PHY芯片内部会集成差分电阻，具体以所用芯片手册为则。VDD的作用为为电路提供电流和为差分信号提供直流偏置。电阻需靠近PHY芯片放置。

电流型PHY需要在网络变压器中间抽头提供一个VDD电压。

电压型PHY

电压型PHY指PHY芯片把MAC给的数据进行串并转换，编码后经DAC输出，而DAC为电压型输出，即芯片为电压型PHY。电压型PHY工作原理：直接由PHY芯片将编码后的数据以差分电压的方式输出，此时网络变压器中间抽头不需要提供偏置电压，所以网络变压器中间抽头一般接0.1uF的电容，为高频干扰提供一个低阻抗回路。

电压型PHY在网络变压器中间抽头接0.1uF电容。

RJ45介绍

RJ45全称"Registered Jack 45"，是遵循EIA/TIA-568标准的8针（8P8C）模块化接口。，专为端接以太网电缆以及连接计算机、路由器、局域网和其他类型的数据通信设备而设计，用于数据电缆的端接，实现设备、配线架模块间的连接及变更。

RJ45常规产品分类

1.根据端口分类（单端口、多端口、堆叠式）

2.根据产品速率分类（10M/100M、1000M、2.5G、 5G、 10G）

3.根据产品机械结构分类（集成式（带网络变压器/磁性元件），分离式（无变压器/无磁性元件），有/无屏蔽，有无LED灯，端口角度45°、90°、180°，沉板，插件，贴片，常规高度与低高度）

RJ45引脚定义

网络变压器  

网络变压器（也称为网络隔离变压器或以太网变压器）是网络通信设备中的关键组件，主要用于以太网接口，起到信号传输、电气隔离、阻抗匹配、共模噪声抑制等作用。

网络变压器基于电磁感应原理，通过初级线圈和次级线圈的磁耦合实现信号传输。一般由共模电感，中心抽头，变压器这三部分构成。当PHY芯片输出的差分信号通过初级线圈时，变化的磁场在次级线圈感应出相应的信号，从而实现电气隔离和信号耦合。网络变压器中的变压器匝数为1：1，即网络变压器为1：1传输交流信号。

传统网络变压器和分离式网络变压器的结构：

网络变压器的作用

①滤除共模干扰：因为网络变压器有共模电感，所以能有效滤除共模干扰，增强信号质量，提高传输距离。

②隔离：因为有变压器的作用，信号是通过磁传播的，能有效隔离PHY端和RJ45端的直流电压，防止地环路干扰、雷击浪涌、静电（ESD）损坏内部电路。在外部不同电平时，网络变压器仅耦合交流信号，使电平与PHY端保持一致，保护PHY芯片。隔离电压通常为1500V~6000V（AC/1min），满足安规标准（如IEEE 802.3、UL、IEC）。

③抗干扰：PHY端的中心抽头可为信号提供直流偏置；或者为共模电流提供一个低阻抗路径。

④优化波形：通过共模电感抑制网线引入的高频干扰（如电磁干扰EMI），能有效地滤除信号中的杂波，优化传输波形，提升信号完整性。

常见网络变压器分类

1、传统网络变压器

传统的网口变压器一般采用主变压器+共模电感的两环设计，根据共模电感的CCMR要求、是否支持POE、端口集成度以及主变的OCL等参数的不同，传统网络变压器有多种型号，但是由于其磁环较小，难以实现自动化加工，在实际生产过程中，采用人工绕制的方式生产，导致其生产效率低、质量不稳定、体积大、高频性能受限、一致性差。于是，分离式的网络变压器应运而生。

2、RJ45集成式网络变压器

将RJ45插座、变压器、共模扼流圈、终端电阻（有时还包括必要的电容）集成封装在一个单一的、紧凑的RJ45接口外壳内（通常是SMD贴片封装）。集成式网络变压器具有空间利用率高、设计复杂度降低、生产与一致性优化的优点，但是也有单价较分离方案高30%~50%，高压隔离与防雷能力较弱、参数固定，灵活性低等劣势。

3、分离式网络变压器

分离式网络变压器分为电感式和电容式两种，电容式网络变压器由电容、共模电感和自耦变压器组成，电容式网络变压器不存在磁饱和问题，抗雷击特性好，低磁化损耗，RE特性比较好。电感式网络变压器结构与传统网络变压器结构类似，只不过是将共模电感和主变压器等分立元件直接贴装于PCB，无需传统胶壳封装，体积缩小60%以上，同时将环形磁芯改成工字型磁芯，支持全自动绕线和焊接，大幅提升生产效率。并且具有对称性好、参数灵活、支持异形结构、EMC性能更优等优势。

4、电容式网络变压器

 电容式网口变压器

电容式网络变压器采用了高压陶瓷电容（耐压1-2kV）替代主变压器，以实现电气隔离的要求，同时又增加了一个自耦变压器，与原来的主变压器的次级绕组一样，为共模干扰能量的泄放提供了通道，并且，自耦变压器直接接地，取消了Bob Smith电路，降低成本的同时也提升了其防雷击的能力。

耦合电容的电容值的设定会对信号的传递有一定的限制，适用范围比较窄，仅支持≤2.5Gbps网络。因为电容值过大则会导致响应变慢，不适配高频传输要求。电容容值过小时，又容易出现过冲。取消Bob Smith电路虽然节省了成本，并且提升了防雷能力，但是其针对网线间的阻抗匹配及共模干扰的抑制能力是有下降的。电容式网络变压器取消了主变压器，并不适应于电流型PHY芯片。另外自耦变压器虽有中心抽头，但是中心抽头是直接接地的，不支持POE供电。

5、电感式网络变压器

电感式网络变压器结构与传统网络变压器结构类似，可以直接取代传统网络变压器，并且电感式网络变压器有性能一致性与可靠性好、环境适应性强、信号完整性、自动化生产优等优势。

•       高隔离强度：2500VAC隔离电压（工业级），抗雷击浪涌（10/700μs波形）。

•       宽频带支持：覆盖10Mbps至10Gbps速率。10/100M两路信号传输，1000M/2.5G/5G/10G四路信号传输。

•       PoE兼容性：磁通设计兼容802.3AF/AT/BT，直流分量直接通过磁芯旁路。

•       宽温工作：-40℃~+105℃（工业级型号），无电容老化问题。

•       抗饱和特性：高饱和磁通密度，耐受PoE大电流。

•       低插损：100MHz频点插损<1.5dB。

•       阻抗匹配：精准100Ω差分阻抗，减少信号反射。

关键参数（以深圳市比创达电子科技有限公司10G网络变压器为例）

OCL（开路电感）：在频率100KHz、电压0.1V的测试条件下，测得线圈电感值为120μH。(行业测试标准)

Capacitance(pF)：最大结电容，是指绕组间寄生电容。过大的电容会衰减高频信号（如千兆网的125MHz谐波），导致插入损耗增加和信号畸变。

Turns Ratio:匝数比。初级线圈与次级线圈的匝数比例，网口变压器通常为 1:1以保持信号完整性。

Insertion loss （dB Max）：插入损耗，信号通过变压器后的衰减程度，单位为dB（负值表示衰减）。

Hi-POT(Vrms)：隔离耐压值。初级与次级线圈间可承受的交流隔离电压，体现绝缘和抗浪涌能力。

6、POE

一种通过标准以太网线缆（如Cat5e/Cat6）同步传输数据和直流电能的技术，彻底改变了网络设备供电方式。POE是直流供电，在百兆及以下速率的以太网中，由于其只使用了两对网线，所以空余的两对网线可以用于POE供电。而在千兆及以上速率的以太网中，四对网线均用于数据传输，此时若要支持POE，则要求在网线上必须同时传输功率和数据，这要求网络变压器及共模电感需要有一定的抗饱和能力，同时，线圈的线径也需加粗以支持通流，这就导致变压器和共模电感的体积有所增加。

POE的供电原理如图所示：

7、Bob Smith电路

Bob Smith电路是Bob Smith在1994年申请的一个专利电路，其作用是实现阻抗匹配，减小干扰以获得更好的EMC性能。另外，Bob Smith电路还有抑制电磁干扰（可以提供约10dB左右的EMI衰减的效果）、在共模干扰（如雷击）等场景下提供共模泄放回路的作用，其电路一般为在各变压器中心抽头接一个75Ω的电阻，再通过1nF/2KV电容接地（防雷作用）。其电路如图所示：

对于POE设备来说，Bob Smith电路的端接电阻相当于在电源上并联了一个75Ω的电阻，会影响PD设备特征阻值的检测，因此，对于支持POE的设备，需要在电阻与中心抽头之间在串接一个10nF的电容，如图所示：

二 应用场景

以太网网络设备 (核心应用场景):

•       交换机：所有端口都需要网络变压器来隔离设备间的地线回路，防止噪声干扰，保护端口芯片。

•       路由器： WAN口和LAN口都需要网络变压器进行隔离和信号耦合。

•       网络接口卡：安装在计算机、服务器、工作站内部的网卡上，连接主板和RJ45接口。

•       无线接入点/路由器：提供有线以太网连接的端口。

•       调制解调器： DSL/Cable调制解调器的以太网输出口。

•       网络附加存储：提供网络连接的端口。

•       IP电话：连接网络的端口，常需要支持PoE。

•       工业以太网交换机/设备：在恶劣环境下提供更强的隔离和抗干扰能力。

支持以太网供电的设备:

•       PoE供电设备：受电设备端（如IP摄像头、无线AP、VoIP电话、LED照明、传感器）的以太网端口需要特殊的网络变压器，其中心抽头用于分离直流供电和交流数据信号。

•       PoE供电设备：供电设备端（如PoE交换机、PoE注入器）的端口也需要支持PoE的网络变压器，用于将直流电注入到数据线对中。

工业自动化和控制系统:

•       PLC：连接控制网络的以太网端口。

•       工业HMI：人机界面的网络接口。

•       工业传感器/执行器：越来越多的工业现场设备通过以太网连接。

电机驱动器/变频器：提供网络监控和控制接口。

•       需要高可靠性、抗强电磁干扰、宽温度范围、防雷击/浪涌保护的场景。工业级网络变压器在这些方面有更高要求。

电信和基站设备:

•       用于设备内部板卡之间的高速以太网互连。

•       基站设备的网络管理接口。

•       需要满足严格的通信行业标准和可靠性要求。

消费电子:

•       智能电视、游戏机、机顶盒等具有有线网络接口的设备。

•       智能家居网关和集线器。

•       打印机、扫描仪等办公外设。

汽车电子:

•       随着车载以太网（如100BASE-T1, 1000BASE-T1）的发展，用于车内高速数据传输网络（如信息娱乐系统、ADAS摄像头、雷达传感器互联）。需要满足车规级要求（AEC-Q100等）。

医疗电子设备:

•       医疗成像设备、监护仪、诊断设备等需要联网传输数据的设备。对安全隔离要求极高（如增强隔离），并需要符合医疗设备安全标准。

测试和测量设备:

•       网络分析仪、示波器等测试设备的网络接口。

三 实际选型与应用

选型流程总结

1.     明确功能需求：传输速率、POE、隔离电压、温度范围。

2.     筛选关键参数：阻抗、封装、尺寸、认证。

3.     电磁兼容设计：增加防雷设计和防静电设计，设置泄放通路。

应用电路总结

共模电感分为两线共模和三线共模两种，放置位置可以是PHY侧也可以是RJ-45侧或者两边都放，具体需要根据实际电路去应用，以上推荐是比较优的选择。

EMC电磁兼容设计

网口电路的电磁兼容（EMC）设计是确保以太网设备稳定运行、通过认证测试（如FCC/CE）的关键环节。需从选型优化、防护电路设计、PCB布局三方面协同优化。

1. 网络变压器选型优化

•       无需POE供电应用时，采用两线共模方案；在有POE供电应用时，优先考虑三线共模、PHY侧放置方案。

•       优先选用电压型PHY芯片，外围电路更简单，空间更小。

•       工业设计最好选择分离式网络变压器，并且选用电感式网络变压器方案。

2. 防护电路设计

•       四级防护架构（适用于工业设备）：

•       典型器件选型：

￮      TSS管：BTRTP0080TA/TB/TC(根据浪涌等级选择不同功率封装)

￮      变压器：BLTW4634201CT100M(根据网口速率，可选择10/100M、1000M、2.5G、5G、10G型号)

￮      共模电感：BWMF202P801U-01（根据网口速率，可选择不同阻抗型号）

￮      ESD静电抑制器：BTR8S82Y05和BTR3S23Y08（尽量选择结电容小的ESD管）

3.PCBA设计

•       RJ-45和变压器之间的距离尽可能的短，器件布局的原则是通常按照信号流向放置，切不可绕来绕去；

•       靠近PHY芯片侧网络变压器中心抽头对地的滤波电容要尽量靠近变压器管脚，保证引线最短，分布电感最小；

•       靠近RJ-45侧网络变压器中心抽头的电阻和电容靠近中心抽头放置，走线短而粗（≥15mil）；

•       变压器是磁隔离元件，变压器下边禁止走线，铺铜，需要挖空处理；

•       由于网络传输的是差分模拟信号，在走线时尽量要保持差分对平行、等长、短距，避免过孔、交叉；

•       在远距离传输时需要对差分对进行阻抗控制，通常阻抗控制在100Ω±10%；

•       在RJ-45侧尽量靠近端口侧放置防雷保护器件；

•       PCB板静电电流泄放通路的地应优先选择机壳地，板上的金属部件和金属接插件能就近接机壳的应就近接机壳，无法就近接机壳的接静电保护地环或工作地,工作地应是大面积的地层；

•       PCB地和外壳地之间的空隙至少间隔20mil，所有层都要保持距离。如果要接在一起，可以用1MΩ或者更大的电阻连接，通常会并联一个1nF/1kV的电容，提高电磁兼容能力。

深圳市比创达电子科技有限公司

比创达公司自2012年成立以来，始终专注于EMC（ElectroMagnetic Compatibility）电磁兼容领域，公司业务涵盖了EMC器件的研发、生产与销售，以及 EMC 方案的设计、免费测试与整改。比创达拥有完善的EMC器件阵容，一直秉承为客户创造价值，坚持为客户提供专业的EMC实验室和技术团队。