貼片式網絡變壓器的研究進展

蔣 平 周學飛 張 吉 李富蘭 唐 楷

①自貢國銓電子有限公司 ②四川輕化工大學

本文綜述了近年來貼片式網絡變壓器的研究進展，總結了現有貼片式網絡變壓器的優點，同時提出進一步提升傳輸速率是下階段貼片式網絡變壓器的發展重點。

網絡變壓器在網絡通訊中通常起著信號傳輸、阻抗匹配、波形修復、信號雜波抑制、高電壓隔離等功能。因現有網絡變壓器一般采用環形線圈繞制導線形成磁場，這種結構不利于工業自動化操作，大部分需人工繞制導線，不僅效率低，且產品性能均一度差，產品良率難以提高。此外，隨著5G時代的到來，寬帶正在不斷的提速升級，也對網絡變壓器傳輸速率提出了更高要求。基于此，研發新一代貼片網絡變壓器是目前行業前沿科技，是未來電子行業的發展趨勢，研究意義較大。

1 網絡變壓器的主要特性

1.1 網絡變壓器的主要功能

在以太網設備中的網絡變壓器主要有以下作用：①傳輸數據，把從數據線端輸送過來的信號通過耦合的方式傳輸給設備IC端；②高壓隔離，使設備IC端與外部隔離，防止浪涌或雷電損傷設備IC，增強抗干擾能力；③電壓匹配，從數據線端輸送過來的電平不盡相同，用網絡變壓器將其隔離，不會對設備IC造成影響；四是信號雜波抑制，網絡變壓器中的共模扼流器可以濾除雜波共模信號，提高信號質量。

1.2 現有網絡變壓器的主要不足

目前，網絡變壓器有以下不足：①傳統網絡變壓器的制造工藝較為繁瑣復雜，過程中的穿磁環、抽頭焊接、底腳纏線、浸錫焊接等一系列作業流程都需要大量人工來完成，效率極低且質量難以保證，給產品工業化生產帶來較大困難，不符合自動化工業的要求，另外因為大部分為人員穿線完成，繞線的一致性無法保證，產品電性的一致性較差；②傳統網絡變壓器的浸錫存在脫焊虛焊及連錫等不良，造成客戶使用時開路或短路，另外浸錫時容易造成底腳共面度不良，影響客戶貼裝使用；③傳統網絡變壓器采用磁環，磁路完全閉合，對溫度異常敏感，必須選用低磁導率及寬溫材料來保證溫度范圍，才能應用于惡劣環境，可見其對材料的要求較為苛刻；④傳統網絡變壓器抗應力能力弱，在生產及轉移過程中，容易造成塑膠殼損傷、底腳變形等。另外，涂覆膠水的多寡對其絕緣耐壓影響較大，而涂覆量因作業員的主觀因素波動較大。

2 國內外研究現狀

目前在深圳、東莞等電子產業發達地區，已有企業試制成功貼片式網絡變壓器樣品，但未達到客戶對新一代網絡變壓器傳輸速率達10 Gb/s或更高傳輸速率的期望值，且未形成工業自動化規模生產。

《貼片式網絡變壓器》ZL（201920118 431.6）公開了一種貼片式網絡變壓器結構，包括變壓器主體，所述變壓器主體的上端設有外保護殼，所述變壓器主體的前端設有引腳，所述外保護殼前端外表面設有上掛鉤，所述變壓器主體的前端外表面靠近引腳的一側設置有下掛鉤，所述下掛鉤的內部貫穿設有連接軸，所述下掛鉤的外側連接軸的一端設有支撐框架，所述下掛鉤與變壓器主體之間設有復位彈簧，所述變壓器主體的內部設有安裝槽。該專利可以降低變壓器空載下的損耗和噪音，但在傳輸效率上并未做較大改進。

《一種超小型集成貼片網絡變壓器》（ZL 201921727360.6）公開了一種超小型集成貼片網絡變壓器，結構包括磁芯，磁芯由首座、尾座及呈線性等間距設置于首座和尾座之間的芯片組成，芯片上下兩端外緣均開設有倒角，兩個相對的倒角形成V字形的線槽，芯片上還對稱設有兩個貫穿首座和尾座的基桿，基桿連接有可拆卸的用于將首座、尾座及多個芯片相互固定或相互松開的固定件。該專利有利于提高超小型集成貼片網絡變壓器的信號電平耦合性能，但也未對傳輸效率進行研究。

《一種貼片式網絡變壓器》（ZL2019 20905307.4）公開了一種貼片式網絡變壓器，包括上殼體、PCB板底座、卡合件和彈性限位件，所述上殼體位于PCB板底座頂部，且上殼體底部對稱固定安裝有兩個卡合件，所述PCB板底座內設有兩個彈性限位件，所述卡合件與彈性限位件配合，所述上殼體通過配合的彈性限位件和卡合件與PCB板底座連接。該專利優點在于方便網絡變壓器的組裝連接，但網絡變壓器的傳輸效率未有提高。

Zl 201921607890 .7《一種貼片式網絡變壓器》公開了一種貼片式網絡變壓器，包括下殼體和上殼體，所述下殼體內固定連接有下固定板，且下固定板上安裝有下載板，同時下載板內部開設有導向軌道，并且下殼體左側安裝有引腳，下殼體的上端開設有定位槽，且下殼體內部開設有安裝腔，拉塊右端穿過下殼體與連接柱固定連接，且連接柱設有回位彈簧，同時連接柱左端安裝有限位塊，并且連接柱的右端與下掛鉤固定連接，下掛鉤下端與導向塊固定連接，安裝腔內設有擋塊。該專利改進之處也主要在提高裝配性，便于對殼體內部的設備進行維修和處理。

綜上，現有國內外研究現狀集中在貼片式網絡變壓器自動化生產工藝、產品微型化、產品可拆卸組裝等領域，對于貼片網絡變壓器高傳輸速率研究尚涉足不多。

3 展望

3.1 貼片網絡變壓器高傳輸速率研究

現有網絡變壓器受到高頻變壓器耦合系數、高頻介質損耗以及趨膚效應等的影響，實際的傳輸速率為1 Gb/s～2 Gb/s，還遠未達到客戶對新一代網絡變壓器高傳輸速率的期望值。下階段，項目組嘗試通過對貼片網絡變壓器的磁芯結構、初始磁導率及線材的線徑和繞線結構等因素進行研究，以解決磁耦合系數、損耗、趨膚效應等對貼片網絡變壓器影響較大等問題，使貼片網絡變壓器的傳輸速率達到10Gb/s的預期目標。

3.2 貼片網絡變壓器磁芯等主體構件的材質選取研究

貼片網絡變壓器的主體構件包括磁芯、側板和底板等。磁芯是為了進一步減小網絡變壓器的體積，除了磁芯結構外，磁芯自身材質也對網絡變壓器的通信帶寬等性能產生較大影響。另外，為了增強抗干擾能力，貼片網絡變壓器除磁芯外的其它主體構件需選用磁性材質。因此，在此研發基礎上，為了實現研發目標，需要在眾多磁性材質中選取最優材質組合方案。

3.3 關于傳輸速率的新產品性能測試方案研究

網絡變壓器作為一種電子產品，影響其最終產品參數性能和傳輸速率的因素較多。因此，當研制出產品樣品后，需要在科學嚴謹的測試方案下有條不紊地進行分項測試、比對和分析研究，才能研制出符合項目要求的最佳樣品。

4 結論

（1）隨著5G時代的到來，寬帶正在不斷的提速升級，而且高達10Gb/s 傳輸速率的以太網標準得以建立，企業和消費者對無線信號的穩定性要求越來越高，這對貼片式網絡變壓器的傳輸效率提出了更高的要求。

（2）本項目組嘗試在線路中影響傳輸速率提升的因數方面進行重點突破，如在優化貼片網絡變壓器的磁芯結構、初始磁導率及線材的線徑和繞線結構等方面要考慮高頻變壓器耦合系數、高頻介質損耗以及趨膚效應等帶來的影響。

（3）可以通過試驗性應用、訂單式規模化生產、技術合作與服務等方式，將項目所開發的新一代貼片網絡變壓器技術進行推廣應用。