Автор: Александр Астапкович
Аннотация: В статье подробно рассматриваются трансформаторные модули Ethernet производства российской компании ПАО «МСТАТОР».
Приведены их технические характеристики, и описаны особенности конструкции.
Введение
В статье приводится описание линейки отечественных компонентов нового поколения для трансформаторов гальванической сетей Ethernet (100BASE-TX, 1000BASE-T) на основе нанокристаллических магнитопроводов (см. рис. 1).
Компоненты разработаны и поставляются отечественной компанией ПАО «МСТАТОР» (www.mstator.ru). Уже более 50 лет компания развивает и использует аморфные и нанокристаллические материалы для производства:
- тороидальных ленточных магнитопроводов внешним диаметром 3–200 мм;
- высокочастотных дросселей и трансформаторов для телекоммуникационных систем;
- миниатюрных импульсных трансформаторов и блоков ИТ.
Использование аморфных и нанокристаллических материалов, полученных в результате сверхбыстрого охлаждения особых сплавов марки АМАГ (на основе железа Fe, железа–кобальта Fe–Co, железа–никеля Fe–Ni) и специальных режимов термомагнитной обработки, позволяет отнести представленные компоненты к следующему поколению передовых материалов.
Перспективность перехода на эту линейку компонентов актуализировалась в связи с резким уменьшением объемов поставок импортных ферритов и различных электромагнитных компонентов в 2022 г. для российских производителей электроники, острой необходимостью быстрого импортозамещения, а также резким повышением объемов заказов и сроков изготовления в виду загруженности отечественных производителей.
Описаны преимущества использования аморфных и нанокристаллических материалов по сравнению с такими традиционными материалами как ферриты.
В заключении приводятся импортные аналоги, которые могут быть заменены описываемой линейкой трансформаторных модулей для Ethernet.
Рис. 1. Трансформаторы гальванической развязки для Ethernet категории качества «ОТК» и «ВП»
Особенности области применения
Описываемые трансформаторные модули предназначены для реализации каналообразующей аппаратуры на стандарты семейств Fast Ethernet (100BASE-T, 100 Мбит/с) и Gigabit Ethernet (1000BASE-T, 1000 Мбит/с).
100BASE-T – общий термин для обозначения стандартов, использующих в качестве среды передачи данных витую пару.
Стандарт 100BASE-T – это высокоскоростная технология передачи данных в локальных сетях в соответствии со стандартом IEEE 802.3u.
В наименовании стандарта используются следующие условные обозначения:
- 100 – скорость передачи информации (МГ ц);
- BASE – немодулированный сигнал;
- Т – две витые пары в кабеле 5‑й категории (UTP5).
Длина сегмента – до 100 м. Включает в себя стандарты 100BASE-TX, 100BASE-T4 и 100BASE-T2. Стандарт 100BASE-TX, IEEE 802.3u – развитие стандарта 10BASE-T для использования в сетях с топологией «звезда».
1000BASE-T или Gigabit Ethernet описывается стандартом IEEE 802.3ab и обеспечивает передачу данных со скоростью 1 Гбит/с (1000 Мбит/с). Поток данных равномерно распределяется по четырем витым парам, длина сегмента может достигать 100 м.
Согласно типовой модели сетевого взаимодействия OSI, определенной консорциумом IEEE 802.3, Ethernet-трансформаторы отвечают за первый уровень, известный как уровень PHY (физический). На нем описываются такие параметры сигналов как частота, амплитуда, фаза, манипуляция, используемая модуляция. Решаются вопросы, связанные с синхронизацией, избавлением от помех (фильтрация), электрической изоляцией, скоростью передачи данных (см. рис. 2).
Рис. 2. Модель OSI
Чтобы система связи поддерживала скорость передачи данных, соответствующую требованиям IEEE, необходимо минимизировать частоту ошибок по битам (BER), наблюдаемую на физическом уровне. Передача данных по неэкранированной витой паре (UTP) очень чувствительна к электромагнитным помехам (EMI) из окружающей среды. Зачастую именно низкокачественные ферриты и являются серьезной причиной трудно решаемых проблем электромагнитной совместимости (ЭМС).
Разработчику необходимо использовать все доступные способы снижения шума и иметь несколько альтернативных вариантов, обеспечивающих его достаточно низкие уровни в окончательном проекте.
Трансформаторные модули гальванической развязки сетей Ethernet решают описанные проблемы ЭМС , т. к. выполняют три основные задачи:
- обеспечение гальванической развязки микросхемы приемопередатчика от линии связи (сети);
- согласование длинной симметричной линии как по противофазной волне (информационный сигнал), так и по синфазной – относительно земли (помеховая составляющая);
- фильтрация высокочастотных синфазных помех за счет встроенного синфазного фильтра.
Конечно, существует немало решений трансформаторных модулей для Ethernet. В документации компании ПАО «МСТАТОР» указаны функциональные аналоги модулей МТ1 и МТ2–1 производства таких известных компаний как TDK, Epcos, Premier Magnetics и др. Тем не менее, в модулях МТ1 и МТ2–1 имеются свои изюминки.
Например, использование нанокристаллических магнитомягких сердечников позволило улучшить характеристики модулей МТ1 и МТ2–1. К улучшениям относится увеличение диапазона рабочей температуры до –60…105°C, улучшение температурной стабильности, увеличение собственной резонансной частоты дросселя, что позволяет увеличить полосу частот подавления синфазных помех. Далее мы подробнее рассмотрим технические характеристики модулей.
Схема трансформаторного модуля
Трансформатор гальванической развязки
Чтобы обеспечить более эффективную защиту от электростатического разряда, проектировщикам рекомендуется применять дискретный трансформатор, а не модуль, в котором объединены трансформатор и разъем RJ‑45. В результате улучшается изоляция между микросхемой физического уровня и разъемом RJ-45.
Изоляция с помощью трансформатора (особенно нанокристаллического) имеет несколько существенных преимуществ при использовании в составе Ethernet и, соответственно, применяется чаще.
- По своей природе трансформаторы имеют очень высокий коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR), что делает их идеальными для дифференциальной связи. Любое синфазное напряжение, приложенное к обеим клеммам трансформатора, отклоняется, и только дифференциальное напряжение между клеммами передается на изолированную сторону.
- Нет необходимости в подаче напряжения на изолированной стороне, поскольку сигнал передается напрямую через трансформатор.
- Сигналы Ethernet (даже 10 Мбит/с) слишком быстры для большинства оптоизоляторов, а трансформаторы дешевле и проще в поставке.
- Трансформатор представляет собой идеальную точку для преодоления любого несоответствия импеданса, позволяя передавать сигнал без отражения из-за согласованного импеданса.
Синфазный дроссель
Хотя дифференциальные приемники сами по себе эффективны в подавлении синфазного шума, наличие синфазного дросселя для повышения устойчивости к синфазным помехам всегда является хорошим вариантом – отношение сигнал/шум и, как следствие, частота ошибок по битам улучшаются на стороне приемника.
Синфазный сигнал является прямым результатом шума в линиях, вызванного источниками напряжения, радиочастотными сигналами и помехами от других устройств, находящихся в непосредственной близости.
Этот синфазный сигнал накладывается на дифференциальный сигнал, вызывая ненадежные падения напряжения на нагрузке из-за тока через паразитные помехи. Результат этих изменений тока может привести к тому, что микросхема неправильно интерпретирует фрагмент данных. Соответственно, при обнаружении появляется вынужденный запрос на повторную передачу, что значительно снижает эффективную пропускную способность системы в 2~5 раз.
Синфазный дроссель в значительной степени решает эту проблему, обеспечивая высокий уровень затухания синфазного сигнала во всем рабочем диапазоне частот.
Нанокристаллические сердечники
Нанокристаллические магнитомягкие сердечники производства ПАО «МСТАТОР», в отличие от феррита, позволяют значительно расширить возможности Ethernet-трансформаторов, в т.ч. существенно увеличив стабильный диапазон рабочей температуры электронных компонентов – в пределах –60…105°C с изменением проницаемости менее 15%.
Для реализации качественной передачи сигнала в каждом канале в трансформаторных модулях серии МТ производства ПАО «МСТАТОР» используются узлы в количестве двух штук для МТ1/МТС1, и четырех – для МТ2–1. Каждый узел выполнен на тороидальных магнитопроводах и состоит из трансформатора гальванической развязки и синфазного дросселя (см. рис. 3).
Рис. 3. Узел модулей – схема электрическая узла и 3D-модель
Схема является прозрачной для распространения принимаемого сигнала от входа до приемной части трансивера и в обратном направлении – канале, используемом для передачи.
Каждая из медных витых пар провода, использованная для передачи, представляет собой симметричную однородную линию, являющуюся физической средой для распространения волны приемного и передающего сигналов.
Поскольку сетевая аппаратура по разные стороны локальной сети может иметь разные точки заземления и на кабель действует общая помеха относительно окружающей среды, происходящий в каждой медной паре волновой процесс распространения сигнала можно разложить на синфазную и противофазную составляющие: синфазная – это помеха, противофазная – полезный сигнал.
Роль каждого из элементов схемы для рассмотренных составляющих сигнала следующая.
Синфазный фильтр (дроссель Д1) прозрачен для противофазного информационного сигнала, но подавляет синфазную помеху.
Трансформатор Т1 обеспечивает гальваническую изоляцию трансивера относительно локальной линии связи. Трансформатор Т1 прозрачен для противофазного сигнала, проходящего через гальваническую развязку.
В то же время, эти трансформаторы прозрачны для помехового синфазного сигнала, ответвляемого на среднюю точку обмоток этих трансформаторов для передачи данной помехи в поглощающие (в основном, преобразующие в тепло) резисторы (в составе модуля их нет, но они предусмотрены в схеме подключения модуля в линию связи).
Преимущество применения именно тороидального магнитопровода в том, что благодаря его симметричной форме с замкнутым контуром величина магнитного потока (потока утечки), выходящего за пределы магнитопровода, довольно мала. Соответственно, магнитопровод обладает большей эффективностью и излучает меньше электромагнитных помех, что предпочтительнее в рамках решения проблемы ЭМС.
В качестве материала магнитопроводов используется нанокристаллический сплав АМАГ 200С, обладающей высокой проницаемостью (не ниже 25000 на 100 кГц) и высокой индукцией насыщения (до 1,2 Тл).
Преимущества нанокристаллических материалов
Важная особенность выпускаемых трансформаторных модулей заключается в том, что они выполнены не на ферритовых, а на нанокристаллических сердечниках, что гарантирует стабильность электромагнитных свойств и значительно расширяет диапазон рабочей температуры. Известно, что выше 70°C феррит заметно ухудшает характеристики изделий, а выше 100°C практически приводит к их неработоспособности, в то время как нанокристаллические материалы стабильны и при температуре выше 150°C.
Защитный контейнер магнитопровода выполнен из алюминиевой фольги с покрытием в виде алюмооксидной пленки, обеспечивающей напряжение пробоя трансформатора не менее 1650 В. Обмотки трансформаторов и дросселей выполнены проводом с двойной изоляцией.
Узлы помещаются в пластмассовый трудногорючий корпус, предназначенный в т. ч. для автоматического монтажа. Герметизация модулей осуществляется эпоксидным компаундом ЭЗК‑7М, что значительно повышает надежность и стойкость изделий к внешним механическим и климатическим факторам.
Трансформаторные модули ПАО «МСТАТОР»
Модули МТ1‑x
Модули МТ1 (МТС1) содержат два канала связи и могут использоваться для одновременной передачи и приема данных и информации (full duplex).
Модули МТ1 изготавливаются категории качества «ОТК», модули МТС1 – категории качества «ВП».
Модули МТ1 (МТС1) имеют два типоисполнения: МТ1–1 (МТС1–1) и МТ1–2 (МТС1–2). Отличие типоисполнений 1–1 и 1–2 состоит в схеме включения синфазного фильтра в одном из каналов относительно другого канала (согласное или встречное).
Пример записи условного обозначения модулей МТ1 (МТС1) в конструкторской документации и при заказе:
- «Модуль МТ1–1 КВ ШУ.671319.044 ТУ»;
- «Модуль МТС1–2 КВ ШУ.671319.035 ТУ».
Основные технические параметры модулей МТ1 и МТС1 приведены в таблице 1. Показатели надежности модулей:
- гамма-процентная наработка до отказа: не менее 50 000 ч (при 105°C) в пределах срока службы 30 лет;
- гамма-процентный срок сохраняемости: не менее 30 лет.
Таблица 1. Основные технические параметры модулей МТ1 и МТС1
| Обозначение параметра, порядок приемки | Норма параметра | Режим измерения | ||
|---|---|---|---|---|
| не менее | номинал | не более | ||
|
Электрическая прочность изоляции между входными и выходными обмотками: испытательное напряжение переменного тока, Uиз., В |
– |
1650 |
– |
время воздействия 6 с |
|
Сопротивление изоляции между входными и выходными обмотками, Rиз., МОм |
500 |
– |
– |
напряжение постоянного тока 100 В |
|
Индуктивность первичной обмотки, L1, мкГн:
|
440 |
– |
– |
100 кГц, 0,1 В |
|
Индуктивность первичной обмотки L1, мкГн:
|
350 |
– |
– |
100 кГц, 0,1 В |
|
Сопротивление обмоток постоянному току**, Rобм., Ом:
|
– |
– |
1,3 |
|
|
Индуктивность рассеяния обмоток** LS, мкГн:
|
– |
– |
0,3 |
100 кГц, 0,1 В |
|
Рабочее затухание сигнала***, а, дБ |
– |
– |
–1,0 |
1–100 МГц |
|
Подавление синфазной помехи***, b, дБ |
–50+17⋅lg(f/5) |
– |
– |
f – частота измерения помехи, МГц; |
| * Номера выводов модуля указаны в соответствии со схемами электрическими. ** Для модуля МТ1 гарантируемыми параметрами также являются сопротивление обмоток постоянному току и индуктивность рассеяния обмоток. *** Гарантируемые параметры. |
||||
Внешний вид модулей МТ1–1 и МТС1–1, МТ1–2 и МТС1–2 показан на рисунке 4, габаритные и установочные размеры, а также расположение рекомендуемых контактных площадок для монтажа на плату на рисунке 5.
Рис. 4. Внешний вид модулей МТ1–1 и МТС1–1, МТ1–2 и МТС1–2
Рис. 5. Габаритные и установочные размеры модулей МТ1–1, МТС1–1, МТ1–2 и МТС1–2, а также расположение контактных площадок для монтажа на плату
На рисунке 6 приведены электрические схемы модулей МТ1–1, МТС1–1, МТ1–2 и МТС1–2.
На рисунке 7 показана типовая схема включения модулей МТ1–1 и МТС1–1 в локальных сетях Ethernet.
Рис. 6. Схемы электрические принципиальные модулей:
а) МТ1–1, МТС1–1; б) МТ1–2, МТС1–2
Рис. 7. Типовая схема включения модулей МТ1–1 и МТС1–1 в локальных сетях Ethernet
Трансформаторный модуль МТ2–1
Модуль МТ2–1 (КВ ШУ.671319.044 ТУ ), в отличие от МТ1 (МТС1), содержит четыре канала связи и предназначен для передачи непрерывных сигналов в интерфейсных каналах систем передачи данных и информации в соответствии со стандартом IEEE 802.3 (Ethernet) конфигурации 1000BASE-T.
Также допускается использование модуля МТ2–1 в качестве двухпортового модуля в конфигурации 10/100BASE–TX.
Основные электрические параметры модуля МТ2–1 приведены в таблице 2.
Таблица 2. Основные электрические параметры модуля МТ2–1
| Обозначение параметра, норма приёмки | Норма параметра | Режим измерения | ||
|---|---|---|---|---|
| не менее | номинал | не более | ||
|
Электрическая прочность изоляции между входными и выходными обмотками: испытательное напряжение переменного тока, Uиз., В |
– |
1650 |
– |
время воздействия 6 с |
|
Сопротивление изоляции между входными и выходными обмотками, Rиз., МОм |
500 |
– |
– |
напряжение постоянного тока 100 В |
|
|
|
|
– |
100 кГц, 0,1 В |
|
|
|
|
|
100 кГц, 0,1 В |
|
Сопротивление обмоток постоянному току**, Rобм., Ом: |
– |
– |
1,3 |
|
|
Индуктивность рассеяния обмоток**, LS, мкГн: выводы 2–3 (23–22 закорочены)*;
|
– |
– |
0,3 |
100 кГц, 0,1 В |
|
Рабочее затухание сигнала**, а, дБ |
– |
– |
–1,0 |
1–100 МГц |
|
Подавление синфазной помехи**, b, дБ |
–50+17⋅lg(f/5) |
– |
– |
f – частота измерения помехи, МГц; |
| * Номера выводов модуля указаны в соответствии со схемами электрическими. ** Для модуля МТ1 гарантируемыми параметрами также являются сопротивление обмоток постоянному току и индуктивность рассеяния обмоток. *** Гарантируемые параметры. |
||||
Модуль МТ2–1 выполнен в трудногорючем пластмассовом корпусе, предназначенном для SMT-монтажа. Внешний вид модуля показан на рисунке 8, габаритные и установочные размеры, а также расположение рекомендуемых контактных площадок для монтажа на плату – на рисунке 9.
Рис. 8. Внешний вид модуля МТ2–1
Рис. 9. Габаритные и установочные размеры модуля МТ2–1, а также расположение рекомендуемых контактных площадок для монтажа на плату
На рисунке 10 приведена электрическая схема модуля МТ2–1, а на рисунке 11 – типовая схема включения модуля МТ2–1 в локальных сетях Ethernet.
Рис. 10. Схема электрическая принципиальная модуля МТ2–1
Рис. 11. Типовая схема включения модуля МТ2–1 в локальных сетях Ethernet
Аналоги модулей МТ1/МТС1 и МТ2–1
Описанная элементная база может использоваться для замены импортных компонентов (см. табл. 3).
Все комплектующие поставляются российскими производителями.
Таблица 3. Импортные компоненты, которые можно заменить описанной элементной базой
| Производитель | 10/100Base-TX | 10/100Base-TX | 1000Base-T |
|---|---|---|---|
| МСТАТОР (Россия) | МТ1–1, МТС1–1 | МТ1–2, МТС1–2 | МТ2–1 |
|
Pulse Electronics
|
HX1188NL
|
H1199NL
|
HX5004NL HM5004ENL
|
|
Epcos
|
–
|
–
|
B78476A8249A003
|
|
Bel Magnetic Solutions
|
S558-5999-U7-F
|
–
|
S558-5999-AR-F
|
|
TDK
|
TLA-6T118LF; TLA-6T133WLF
|
–
|
TLA-7T101LF
|
|
Halo Electronics
|
TG110-E055N5LF; TG110-E055N5RL
|
–
|
TG1G-E001NZLF; TG1G-E001NZRL
|
|
Bourns
|
PT61017XPEL; SM91071AL; SM91074AL
|
–
|
–
|
|
Premier Magnetics
|
PM-8590
|
–
|
PM-9001
|
|
Abracon
|
ALAN-101
|
–
|
ALANS10001-3J11JT
|
|
Link-PP
|
LP1102NL; P1188NL
|
–
|
LP5004NL
|
Выводы
В виду острой необходимости интеграции отечественных решений для импортозамещения у производителей сетевого оборудования к началу 2023 г., ПАО «МСТАТОР» может предложить достойную замену электромагнитных компонентов в рамках производства трансформаторов Ethernet.
Ориентируясь на тренды мировых лидеров в производстве электромагнитных компонентов, ПАО «МСТАТОР» старается установить высокую планку для своих изделий. Все электрические характеристики трансформаторов ПАО «МСТАТОР» проходят обязательную проверку на контрольно-измерительном оборудовании, что обеспечивает стабильное и превосходное качество. А применение передовых нанокристаллических магнитомягких материалов дает возможность получать отличные параметры.
Тестовые образцы
В России в развитии этого направления мы является пионерами.
Мы гарантируем качество каждого модуля и стабильность параметров.
Для ускорения проектной работы клиентов ПАО "МСТАТОР" готово рассмотреть предоставление тестовых образцов продукции – обращайтесь в отдел маркетинга (market@mstator.ru) или через сайт быстро Задайте вопрос.
Литература
- /products/cipher_module
- https://kit-e.ru/circuit/rekomendaczii-po-ethernet-2
- https://altium-u.ru/articles/osnovy-primeneniya-gigabit-ethernet-v-pechatnyh-platah
Ресурс: Электронные компоненты №1 (стр. 52), 2023 год
