2011 十一月

应用于LAN的片式脉冲变压器

精密的空间节约装置

为了用以太网高速传输脉冲信号,输入和输出电路之间必须有稳定的电流隔离。片式脉冲变压器的新系列 TDK ALT4532采用革新的自动化线圈绕组技术,具有一致的电子性能,较小的占用面积。

在个人电脑以及由数字电视到多媒体的数字设备中,LAN(局域网)连接正成为一种标准的动能。 传统的脉冲变压器的局域网应用包括环形(环状)磁芯,初级和次级的线圈卷绕其上。环芯变压器漏磁通量较小,同时具有比其他内部存在气隙的磁芯变压器更好的性能。由于这个原因,脉冲变压器通常设计为环芯变压器。但是,由于其形状,线圈通常以手工卷绕,因为很难进行自动化,这样不可避免的导致元件之间的差异并对质量稳定和大量生产产生阻碍,

脉冲变压器实际上是很难做得好的电子元件,尽管其工作原理和基本设计非常简单。设计、磁芯材料选择以及卷绕方法都会很大程度上影响结果,而且大量生产中很难获取一致的电气特性。片式脉冲变压器的TDK ALT系列利用新的设计,能够采用自动卷绕的制造工艺。

新型片式脉冲变压器是基于最新的广泛用作抑噪元件的TDK片式共模滤波器而设计的。共模滤波器与脉冲变压器的相似之处在于均应用两个线圈。TDK-EPC的首创方法就在于在矩形鼓芯上使用自动卷绕,然后与平板磁芯连接(图1)。新的片式脉冲变压器在行业内是首次以自动绕圈方式生产的。

图1:TDK ALT4532脉冲变压器新的磁芯设计

将两个自动线圈应用于矩形鼓芯后,平板磁芯粘附,形成功能相当的环形磁芯。磁通量穿越两个磁芯的内部。

先进的卷绕设计

理想变压器中,初级与次级绕组的耦合系数k是1。但是,事实上,变压器铁芯上的气隙产生的漏通量以及其他因素会导致系数k小于1。产生的漏电感降低了变压器的性能。TDK ALT4532脉冲变压器的设计挑战是使耦合系数尽可能的接近1。通过减少鼓芯与芯板之间接合处的缝隙显著的减少漏通量至现有解决方案的一半。

而且,绕组设计本身在优化耦合系数方面同样重要。尽管绕组的每一匝都是电隔离的,但是电位差会造成相邻线圈如同电容器电极,产生内部线圈电容。发生在变压器上的另一种寄生电容是初级与次级绕组之间的线圈分配电容。优化的绕组设计权衡了寄生电容与增加的漏电感,需要先进的技术工艺知识。

 

理想磁芯材料的铁氧体

由于脉冲波形通常包括广泛的频率范围,理想磁芯材料的选择对防止过度的脉冲波形失真至关重要,这种失真能降低信号质量。

例如,当应用8mA的直流电偏压电流时,100BASE-T以太网连接的脉冲变压器需要至少350 µH的电感值。因此,铁氧体材料显著的直流电叠加特性是非常需要的,因为当应用直流偏置磁场时,磁化曲线仍然是直线。因此,铁氧体材料要求在正常的局域网环境中在整个温度变化过程中提供高导磁率和高饱和磁通密度。

 

基于铁氧体材料的大量经验,我们开发出了一种铁氧体材料,其构成和微观结构对于脉冲变压器应用是最佳的。

TDK ALT系列使用新的铁氧体材料满足下一代高速局域网的技术要求,与基于传统材料的脉冲变压器对比时具有较小磁芯体积以及较低数量的匝数。结果是一种高紧密的片式脉冲变压器,占用面积仅为4.5 × 3.2 mm² (尺寸4532 size)。

 

自动卷绕形成的高性能

TDK ALT系列的脉冲变压器具有紧凑的表贴封装,高可靠度以及局域网用脉冲变压器所需的性能。图2清晰的显示了眼孔图样,TDK ALT4532片式变压器信号质量与传统产品有相同的等级。

除了自动卷绕,ALT系列同样应用了自动热压焊接连接终端电极和电线。ALT系列持续完整的自动生产过程也会导致比半自动生产工艺的传统产品在大量生产方面更加统一的质量,成批处理应用于电子测试到编带阶段。

图2:以太网应用中眼孔图评估对比

TDK ALT4532片式脉冲变压器具有传统产品相同的信号质量,尽管封装明显较小。

有效地节约空间

通常脉冲变压器与共模扼流圈和其他的元件一起整合入局域网组件内。安装传统的脉冲变压器时,复杂的接线和焊接工作必须以手工完成。焊接前,这些元件必须与树脂一同固定。作为片式元件,ALT系列变压器可以在回流焊接过程中同其他的零部件一起进行安装,极大地简化了流程,减少了安装时间。

而且,当根据差分传输方法与静噪滤波结合时,更紧凑的尺寸有利于进一步的节省空间。与使用传统变压器和共模扼流圈相比,当TDK ALT系列产品与TDK ACM共模滤波器系列(图3)结合时,全部需要的占用面积可以减少大约40%。这样,TDK ACM系列和ALT系列注定要设计进采用微型化元件极其重要的设备。

图3:TDK片式元件空间节约(100BASE-TX)

与传统的解决方案不同,TDK ALT4532片式脉冲变压器与TDK ACM2012片式共模滤波器的组合可以在PCB上节省40%。

表:TDK ALT4532系列的主要技术数据

型号ALT4532-001T
最小电感 [µH]200 (直流电偏压 100 mA, 100 kHz)
最大插入损耗 [dB]1.5 (0.1 - 100 MHz)
最大内部线圈电容 [pF]35 (100 kHz)
工作温度范围 [°C]0 - +70
大小 [mm]4.5 × 3.2 × 2.8 (l × w × h)

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