Импульсные трансформаторы серии ALT (TDK) для LAN коннекторов

В последнее время LAN коннекторы стали обычным явлением не только в компьютерах и IT технологиях, но также в ТВ, аудио-видео технике и многих других потребительских изделиях.

Одним из ключевых компонентов, используемых в LAN интерфейсах, являются импульсные трансформаторы. Такой трансформатор должен передавать импульсный сигнал на высоких скоростях и служить изоляцией между входом и выходом. Для оптимального выполнения данных функций компания TDK разработала новый трансформатор в SMD исполнении, изготовленный с применением полностью автоматической намотки. Обычные трансформаторы, производимые при помощи ручной и полуавтоматической намотки, имеют множество недостатков, наиболее существенным из которых является большой разброс ключевых параметров. Изготовленные с применением полностью автоматизированной намотки, трансформаторы ALT имеют идентичные характеристики с минимальным допуском и являются образцовыми изделиями в своем классе.

Стандарт Ethernet, в настоящее время являющийся основным для LAN, появился в начале 80-х годов в США. Изначально он использовался для научных и профессиональных IT применений. Однако в результате появления и развития персональных компьютеров LAN стал активно использоваться для связи между ними, что привело к бурному росту рынка. Соединение нескольких локальных сетей, находящихся на значительном расстоянии друг от друга получило название WAN (wide area network), в то время как соединение между несколькими компьютерами или аудио-видео устройствами сохранило за собой название LAN. В отличие от беспроводных сетей Ethernet LAN требует соединения через кабель, однако имеет большую надежность и более высокую скорость передачи данных.

Существуют различные вариации Ethernet, отличающиеся по типу кабельного соединения и скорости передачи данных. Они имеют обозначения, соответствующие стандарту и скорости передачи данных: 100BASE-T, 1000BASE-T и др., где цифра обозначает скорость передачи данных, а буква - тип кабеля (например Т*- различные типы витой пары, а SX, LX, SR и некоторые другие - оптоволокно).

Устройства, использующие LAN соединение, снабжены встроенным адаптером, который позволяет им подключаться к сети через кабель. Подобным образом устроены, например, материнские платы современных компьютеров. LAN порт, внешне напоминающий телефонную розетку, получил название RJ45. Обычно путь сигнала в устройствах с LAN интерфейсом выглядит следующим образом: фильтрующий дроссель --> LAN трансформатор --> трансивер. Вместе с тем, широкое распространение на рынке получили LAN модули с интегрированными фильтром, трансформатором и разъемом RJ45.

Импульсные трансформаторы были разработаны специально для передачи импульсного сигнала. В отличие от трансформатора напряжения, они не выполняют функций, связанных с питанием, и могут иметь весьма компактные размеры, позволяющие встроить их в модуль. Обычно импульсный трансформатор имеет достаточно простую конструкцию, представляя собой тороидальный сердечник с первичной и вторичной обмотками. Тем не менее, несмотря на кажущуюся простоту конструкции достичь требуемых параметров при производстве импульсного трансформатора не так легко. Этому мешают сложности при автоматизации тороидальной намотки и выборе подходящего материала, влияющие на конечный результат и препятствующие стандартизации изделий.

По сравнению с трансформаторами, выполненными на сердечниках с зазором, тороидальные трансформаторы имеют значительно меньший показатель рассеяния магнитного потока, что положительно сказывается на их характеристиках. Однако тороидальная конструкция в большинстве случаев требует применения ручной намотки, что влечет за собой разброс параметров и несоответствие их начальной спецификации. Таким образом, если в дизайн конечного изделия изначально заложено использование тороидального трансформатора, то полное соответствие спецификации становится труднодостижимым или влечет за собой существенное удорожание изделия, вызванное отбраковкой, неизбежной при использовании ручной намотки.

При производстве трансформаторов серии ALT, разработанных инженерами компании TDK, использовались существенно новые подходы к дизайну и производству LAN трансформаторов. Новая конструкция с применением DR-образных сердечников (так называемых "гантелей") позволяет стандартизировать изделие и применить автоматическую намотку. По аналогии с SMD фильтрами автоматическая намотка производится на DR-образный сердечник, после чего к ней приклеивается сердечник конфигурации "пластина" (plate core), придавая трансформатору законченный вид. Помимо автоматизации намотки и стандартизации изделия подобный подход позволяет создать трансформатор с SMD исполнением, что крайне сложно реализовать при намотке на тороидальный сердечник.

Коэффициент электромагнитной связи обмоток в идеальном случае должен равняться 1 (или 100%), однако в реальности существование потока рассеяния и некоторые другие факторы снижают его величину. В этой связи, ключевым аспектом при разработке трансформатора является достижение коэффициента электромагнитной связи обмоток, близкого к 1 (100%). Одной из важнейших причин возникновения потока рассеяния является зазор в сердечнике. Поток рассеяния в свою очередь влечет за собой появления индуктивности рассеяния, отрицательно влияющей на параметры трансформатора. Благодаря разработке нового сердечника, пригодного для автоматической намотки, разработчики компании TDK смогли сократить размер зазора на стыке между "гантелью" и "пластиной" почти вдвое по сравнению с аналогичными решениями на тороидальных сердечниках, что позволило существенно уменьшить поток рассеяния.

Другим важным параметром, отрицательно влияющим на коэффициент электромагнитной связи обмоток, является межвитковая емкость. Межвитковая емкость является разновидностью паразитной емкости, возникающей между витками катушки под действием разности потенциалов. Именно действие разности потенциалов превращает соседние витки катушки в электроды конденсатора, напрямую способствуя возникновению емкостей между ними. Еще одной разновидностью паразитной емкости в трансформаторах является межобмоточная емкость, возникающая между первичной и вторичной обмотками.

Уменьшение паразитных емкостей является сложной задачей, поскольку влечет за собой увеличение потока рассеяния.

Поскольку импульсный сигнал покрывает широкий частотный диапазон, критически важным является выбор материала сердечника, способного предотвратить искажение формы импульса. Например, импульсный трансформатор, соответствующий стандарту 100BASE-T Ethernet, должен иметь индуктивность 350 мкГн при подмагничивании постоянным током в 8А. Данные особенности стандарта 100BASE-T Ethernet предъявляют повышенные требования к характеристикам ферритового материала при постоянном токе, так как кривая намагничивания остается линейной даже под воздействием подмагничивающего поля (искажение формы импульса происходит вместе с искривлением кривой намагничивания). Поэтому для производства качественного LAN трансформатора необходим материал, обладающий высокими параметрами магнитной проницаемости и индукции насыщения на всем диапазоне рабочих температур LAN.

Используя внушительный опыт работы с ферромагнетиками, специалисты компании TDK разработали новый материал, оптимизированный для применения в импульсных трансформаторах. Химический состав и молекулярная структура данного материала были пересмотрены для достижения наилучших параметров при работе в сетях LAN. В результате появился новый материал, используемый при производстве трансформаторов семейства ALT, соответствующий стандартам высокоскоростных сетей LAN нового поколения. Трансформаторы серии ALT имеют высокую надежность и характеристики, удовлетворяющие требованиям для импульсных трансформаторов, при работе в сетях LAN. Их важным преимуществом перед конкурентами являются SMD монтаж и автоматизированная намотка, которые сложно реализовать при тороидальном исполнении. Кроме того, как видно на рисунке ниже, форма импульса при использовании трансформаторов ALT, не отличается от формы импульса в тороидальном трансформаторе, обладающем существенно большими габаритами и, следовательно, более высокой стоимостью.

Кроме процесса намотки, TDK также автоматизировала термокомпрессионную сварку провода и электродов. Это является существенным шагом вперед по сравнению с тороидальными LAN трансформаторами, требующими ручной пайки, позволяя достичь высокой повторяемости параметров.

Импульсные трансформаторы обычно встраиваются в так называемые LAN модули, включающие в себя также фильтр и другие компоненты. В этом случае намотка и пайка трансформатора осуществляются вручную во время его установки в модуль, что увеличивает его габаритные размеры и себестоимость. Применение SMD трансформаторов серии ALT позволяет осуществить их монтаж на стадии пайки оплавлением, заметно упростив тем самым производственный процесс. Другим важным преимуществом трансформаторов ALT перед тороидальным аналогами является их компактный размер. При дискретной установке на плату в паре с фильтром серии ACM совокупный размер установочной площадки будет на 40-60% меньше по сравнению с LAN модулем.

Несмотря на широкое распространение беспроводных сетей, проводные соединения имеют очевидные преимущества, в частности, такие как высокая скорость передачи данных, устойчивость к помехам, высокая надежность. Ключевым компонентом в сети LAN является импульсный трансформатор, обладающий улучшенными характеристиками и соответствующий стандартам Ethernet нового поколения. Серверы, роутеры и прочее оборудование для хранения и передачи большого объема данных требуют высоких скоростей и особой надежности, в то время как для компьютеров, ноутбуков, цифровых телевизоров, ТВ приставок, игровых консолей и прочих изделий основным достоинством является компактный размер. Для промышленных применений важным преимуществом является широкий диапазон рабочих температур. Благодаря своим улучшенным характеристиками трансформаторы серии ALT подходят для применения во всех указанных выше сегментах: от промышленного оборудования до телевизоров и приставок. Высокоскоростные сети следующего поколения, использующие проводные соединения наряду с беспроводными, предъявляют особо высокие требования к элементной базе. Благодаря разработке нового материала, использованию сердечника другой конфигурации, автоматизации намотки и оптимизации других производственных процессов, компании TDK удалось создать компактный SMD трансформатор, соответствующий всем этим требованиям.