贴片式网络变压器的研究进展

蒋 平 周学飞 张 吉 李富兰 唐 楷

①自贡国铨电子有限公司 ②四川轻化工大学

本文综述了近年来贴片式网络变压器的研究进展，总结了现有贴片式网络变压器的优点，同时提出进一步提升传输速率是下阶段贴片式网络变压器的发展重点。

网络变压器在网络通讯中通常起着信号传输、阻抗匹配、波形修复、信号杂波抑制、高电压隔离等功能。因现有网络变压器一般采用环形线圈绕制导线形成磁场，这种结构不利于工业自动化操作，大部分需人工绕制导线，不仅效率低，且产品性能均一度差，产品良率难以提高。此外，随着5G时代的到来，宽带正在不断的提速升级，也对网络变压器传输速率提出了更高要求。基于此，研发新一代贴片网络变压器是目前行业前沿科技，是未来电子行业的发展趋势，研究意义较大。

1 网络变压器的主要特性

1.1 网络变压器的主要功能

在以太网设备中的网络变压器主要有以下作用：①传输数据，把从数据线端输送过来的信号通过耦合的方式传输给设备IC端；②高压隔离，使设备IC端与外部隔离，防止浪涌或雷电损伤设备IC，增强抗干扰能力；③电压匹配，从数据线端输送过来的电平不尽相同，用网络变压器将其隔离，不会对设备IC造成影响；四是信号杂波抑制，网络变压器中的共模扼流器可以滤除杂波共模信号，提高信号质量。

1.2 现有网络变压器的主要不足

目前，网络变压器有以下不足：①传统网络变压器的制造工艺较为繁琐复杂，过程中的穿磁环、抽头焊接、底脚缠线、浸锡焊接等一系列作业流程都需要大量人工来完成，效率极低且质量难以保证，给产品工业化生产带来较大困难，不符合自动化工业的要求，另外因为大部分为人员穿线完成，绕线的一致性无法保证，产品电性的一致性较差；②传统网络变压器的浸锡存在脱焊虚焊及连锡等不良，造成客户使用时开路或短路，另外浸锡时容易造成底脚共面度不良，影响客户贴装使用；③传统网络变压器采用磁环，磁路完全闭合，对温度异常敏感，必须选用低磁导率及宽温材料来保证温度范围，才能应用于恶劣环境，可见其对材料的要求较为苛刻；④传统网络变压器抗应力能力弱，在生产及转移过程中，容易造成塑胶壳损伤、底脚变形等。另外，涂覆胶水的多寡对其绝缘耐压影响较大，而涂覆量因作业员的主观因素波动较大。

2 国内外研究现状

目前在深圳、东莞等电子产业发达地区，已有企业试制成功贴片式网络变压器样品，但未达到客户对新一代网络变压器传输速率达10 Gb/s或更高传输速率的期望值，且未形成工业自动化规模生产。

《贴片式网络变压器》ZL（201920118 431.6）公开了一种贴片式网络变压器结构，包括变压器主体，所述变压器主体的上端设有外保护壳，所述变压器主体的前端设有引脚，所述外保护壳前端外表面设有上挂钩，所述变压器主体的前端外表面靠近引脚的一侧设置有下挂钩，所述下挂钩的内部贯穿设有连接轴，所述下挂钩的外侧连接轴的一端设有支撑框架，所述下挂钩与变压器主体之间设有复位弹簧，所述变压器主体的内部设有安装槽。该专利可以降低变压器空载下的损耗和噪音，但在传输效率上并未做较大改进。

《一种超小型集成贴片网络变压器》（ZL 201921727360.6）公开了一种超小型集成贴片网络变压器，结构包括磁芯，磁芯由首座、尾座及呈线性等间距设置于首座和尾座之间的芯片组成，芯片上下两端外缘均开设有倒角，两个相对的倒角形成V字形的线槽，芯片上还对称设有两个贯穿首座和尾座的基杆，基杆连接有可拆卸的用于将首座、尾座及多个芯片相互固定或相互松开的固定件。该专利有利于提高超小型集成贴片网络变压器的信号电平耦合性能，但也未对传输效率进行研究。

《一种贴片式网络变压器》（ZL2019 20905307.4）公开了一种贴片式网络变压器，包括上壳体、PCB板底座、卡合件和弹性限位件，所述上壳体位于PCB板底座顶部，且上壳体底部对称固定安装有两个卡合件，所述PCB板底座内设有两个弹性限位件，所述卡合件与弹性限位件配合，所述上壳体通过配合的弹性限位件和卡合件与PCB板底座连接。该专利优点在于方便网络变压器的组装连接，但网络变压器的传输效率未有提高。

Zl 201921607890 .7《一种贴片式网络变压器》公开了一种贴片式网络变压器，包括下壳体和上壳体，所述下壳体内固定连接有下固定板，且下固定板上安装有下载板，同时下载板内部开设有导向轨道，并且下壳体左侧安装有引脚，下壳体的上端开设有定位槽，且下壳体内部开设有安装腔，拉块右端穿过下壳体与连接柱固定连接，且连接柱设有回位弹簧，同时连接柱左端安装有限位块，并且连接柱的右端与下挂钩固定连接，下挂钩下端与导向块固定连接，安装腔内设有挡块。该专利改进之处也主要在提高装配性，便于对壳体内部的设备进行维修和处理。

综上，现有国内外研究现状集中在贴片式网络变压器自动化生产工艺、产品微型化、产品可拆卸组装等领域，对于贴片网络变压器高传输速率研究尚涉足不多。

3 展望

3.1 贴片网络变压器高传输速率研究

现有网络变压器受到高频变压器耦合系数、高频介质损耗以及趋肤效应等的影响，实际的传输速率为1 Gb/s～2 Gb/s，还远未达到客户对新一代网络变压器高传输速率的期望值。下阶段，项目组尝试通过对贴片网络变压器的磁芯结构、初始磁导率及线材的线径和绕线结构等因素进行研究，以解决磁耦合系数、损耗、趋肤效应等对贴片网络变压器影响较大等问题，使贴片网络变压器的传输速率达到10Gb/s的预期目标。

3.2 贴片网络变压器磁芯等主体构件的材质选取研究

贴片网络变压器的主体构件包括磁芯、侧板和底板等。磁芯是为了进一步减小网络变压器的体积，除了磁芯结构外，磁芯自身材质也对网络变压器的通信带宽等性能产生较大影响。另外，为了增强抗干扰能力，贴片网络变压器除磁芯外的其它主体构件需选用磁性材质。因此，在此研发基础上，为了实现研发目标，需要在众多磁性材质中选取最优材质组合方案。

3.3 关于传输速率的新产品性能测试方案研究

网络变压器作为一种电子产品，影响其最终产品参数性能和传输速率的因素较多。因此，当研制出产品样品后，需要在科学严谨的测试方案下有条不紊地进行分项测试、比对和分析研究，才能研制出符合项目要求的最佳样品。

4 结论

（1）随着5G时代的到来，宽带正在不断的提速升级，而且高达10Gb/s 传输速率的以太网标准得以建立，企业和消费者对无线信号的稳定性要求越来越高，这对贴片式网络变压器的传输效率提出了更高的要求。

（2）本项目组尝试在线路中影响传输速率提升的因数方面进行重点突破，如在优化贴片网络变压器的磁芯结构、初始磁导率及线材的线径和绕线结构等方面要考虑高频变压器耦合系数、高频介质损耗以及趋肤效应等带来的影响。

（3）可以通过试验性应用、订单式规模化生产、技术合作与服务等方式，将项目所开发的新一代贴片网络变压器技术进行推广应用。