貼片式網(wǎng)絡(luò)變壓器的研究進(jìn)展

蔣 平 周學(xué)飛 張 吉 李富蘭 唐 楷

①自貢國(guó)銓電子有限公司 ②四川輕化工大學(xué)

本文綜述了近年來貼片式網(wǎng)絡(luò)變壓器的研究進(jìn)展，總結(jié)了現(xiàn)有貼片式網(wǎng)絡(luò)變壓器的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)提出進(jìn)一步提升傳輸速率是下階段貼片式網(wǎng)絡(luò)變壓器的發(fā)展重點(diǎn)。

網(wǎng)絡(luò)變壓器在網(wǎng)絡(luò)通訊中通常起著信號(hào)傳輸、阻抗匹配、波形修復(fù)、信號(hào)雜波抑制、高電壓隔離等功能。因現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)變壓器一般采用環(huán)形線圈繞制導(dǎo)線形成磁場(chǎng)，這種結(jié)構(gòu)不利于工業(yè)自動(dòng)化操作，大部分需人工繞制導(dǎo)線，不僅效率低，且產(chǎn)品性能均一度差，產(chǎn)品良率難以提高。此外，隨著5G時(shí)代的到來，寬帶正在不斷的提速升級(jí)，也對(duì)網(wǎng)絡(luò)變壓器傳輸速率提出了更高要求?；诖?，研發(fā)新一代貼片網(wǎng)絡(luò)變壓器是目前行業(yè)前沿科技，是未來電子行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，研究意義較大。

1 網(wǎng)絡(luò)變壓器的主要特性

1.1 網(wǎng)絡(luò)變壓器的主要功能

在以太網(wǎng)設(shè)備中的網(wǎng)絡(luò)變壓器主要有以下作用：①傳輸數(shù)據(jù)，把從數(shù)據(jù)線端輸送過來的信號(hào)通過耦合的方式傳輸給設(shè)備IC端；②高壓隔離，使設(shè)備IC端與外部隔離，防止浪涌或雷電損傷設(shè)備IC，增強(qiáng)抗干擾能力；③電壓匹配，從數(shù)據(jù)線端輸送過來的電平不盡相同，用網(wǎng)絡(luò)變壓器將其隔離，不會(huì)對(duì)設(shè)備IC造成影響；四是信號(hào)雜波抑制，網(wǎng)絡(luò)變壓器中的共模扼流器可以濾除雜波共模信號(hào)，提高信號(hào)質(zhì)量。

1.2 現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)變壓器的主要不足

目前，網(wǎng)絡(luò)變壓器有以下不足：①傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)變壓器的制造工藝較為繁瑣復(fù)雜，過程中的穿磁環(huán)、抽頭焊接、底腳纏線、浸錫焊接等一系列作業(yè)流程都需要大量人工來完成，效率極低且質(zhì)量難以保證，給產(chǎn)品工業(yè)化生產(chǎn)帶來較大困難，不符合自動(dòng)化工業(yè)的要求，另外因?yàn)榇蟛糠譃槿藛T穿線完成，繞線的一致性無法保證，產(chǎn)品電性的一致性較差；②傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)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(shí)開路或短路，另外浸錫時(shí)容易造成底腳共面度不良，影響客戶貼裝使用；③傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)變壓器采用磁環(huán)，磁路完全閉合，對(duì)溫度異常敏感，必須選用低磁導(dǎo)率及寬溫材料來保證溫度范圍，才能應(yīng)用于惡劣環(huán)境，可見其對(duì)材料的要求較為苛刻；④傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)變壓器抗應(yīng)力能力弱，在生產(chǎn)及轉(zhuǎn)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(duì)其絕緣耐壓影響較大，而涂覆量因作業(yè)員的主觀因素波動(dòng)較大。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前在深圳、東莞等電子產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)，已有企業(yè)試制成功貼片式網(wǎng)絡(luò)變壓器樣品，但未達(dá)到客戶對(duì)新一代網(wǎng)絡(luò)變壓器傳輸速率達(dá)10 Gb/s或更高傳輸速率的期望值，且未形成工業(yè)自動(dòng)化規(guī)模生產(chǎn)。

《貼片式網(wǎng)絡(luò)變壓器》ZL（201920118 431.6）公開了一種貼片式網(wǎng)絡(luò)變壓器結(jié)構(gòu)，包括變壓器主體，所述變壓器主體的上端設(shè)有外保護(hù)殼，所述變壓器主體的前端設(shè)有引腳，所述外保護(hù)殼前端外表面設(shè)有上掛鉤，所述變壓器主體的前端外表面靠近引腳的一側(cè)設(shè)置有下掛鉤，所述下掛鉤的內(nèi)部貫穿設(shè)有連接軸，所述下掛鉤的外側(cè)連接軸的一端設(shè)有支撐框架，所述下掛鉤與變壓器主體之間設(shè)有復(fù)位彈簧，所述變壓器主體的內(nèi)部設(shè)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(jìn)。

《一種超小型集成貼片網(wǎng)絡(luò)變壓器》（ZL 201921727360.6）公開了一種超小型集成貼片網(wǎng)絡(luò)變壓器，結(jié)構(gòu)包括磁芯，磁芯由首座、尾座及呈線性等間距設(shè)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(shè)有倒角，兩個(gè)相對(duì)的倒角形成V字形的線槽，芯片上還對(duì)稱設(shè)有兩個(gè)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(gè)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(wǎng)絡(luò)變壓器的信號(hào)電平耦合性能，但也未對(duì)傳輸效率進(jìn)行研究。

《一種貼片式網(wǎng)絡(luò)變壓器》（ZL2019 20905307.4）公開了一種貼片式網(wǎng)絡(luò)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(duì)稱固定安裝有兩個(gè)卡合件，所述PCB板底座內(nèi)設(shè)有兩個(gè)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(yōu)點(diǎn)在于方便網(wǎng)絡(luò)變壓器的組裝連接，但網(wǎng)絡(luò)變壓器的傳輸效率未有提高。

Zl 201921607890 .7《一種貼片式網(wǎng)絡(luò)變壓器》公開了一種貼片式網(wǎng)絡(luò)變壓器，包括下殼體和上殼體，所述下殼體內(nèi)固定連接有下固定板，且下固定板上安裝有下載板，同時(shí)下載板內(nèi)部開設(shè)有導(dǎo)向軌道，并且下殼體左側(cè)安裝有引腳，下殼體的上端開設(shè)有定位槽，且下殼體內(nèi)部開設(shè)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(shè)有回位彈簧，同時(shí)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(dǎo)向塊固定連接，安裝腔內(nèi)設(shè)有擋塊。該專利改進(jìn)之處也主要在提高裝配性，便于對(duì)殼體內(nèi)部的設(shè)備進(jìn)行維修和處理。

綜上，現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀集中在貼片式網(wǎng)絡(luò)變壓器自動(dòng)化生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品微型化、產(chǎn)品可拆卸組裝等領(lǐng)域，對(duì)于貼片網(wǎng)絡(luò)變壓器高傳輸速率研究尚涉足不多。

3 展望

3.1 貼片網(wǎng)絡(luò)變壓器高傳輸速率研究

現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)變壓器受到高頻變壓器耦合系數(shù)、高頻介質(zhì)損耗以及趨膚效應(yīng)等的影響，實(shí)際的傳輸速率為1 Gb/s～2 Gb/s，還遠(yuǎn)未達(dá)到客戶對(duì)新一代網(wǎng)絡(luò)變壓器高傳輸速率的期望值。下階段，項(xiàng)目組嘗試通過對(duì)貼片網(wǎng)絡(luò)變壓器的磁芯結(jié)構(gòu)、初始磁導(dǎo)率及線材的線徑和繞線結(jié)構(gòu)等因素進(jìn)行研究，以解決磁耦合系數(shù)、損耗、趨膚效應(yīng)等對(duì)貼片網(wǎng)絡(luò)變壓器影響較大等問題，使貼片網(wǎng)絡(luò)變壓器的傳輸速率達(dá)到10Gb/s的預(yù)期目標(biāo)。

3.2 貼片網(wǎng)絡(luò)變壓器磁芯等主體構(gòu)件的材質(zhì)選取研究

貼片網(wǎng)絡(luò)變壓器的主體構(gòu)件包括磁芯、側(cè)板和底板等。磁芯是為了進(jìn)一步減小網(wǎng)絡(luò)變壓器的體積，除了磁芯結(jié)構(gòu)外，磁芯自身材質(zhì)也對(duì)網(wǎng)絡(luò)變壓器的通信帶寬等性能產(chǎn)生較大影響。另外，為了增強(qiáng)抗干擾能力，貼片網(wǎng)絡(luò)變壓器除磁芯外的其它主體構(gòu)件需選用磁性材質(zhì)。因此，在此研發(fā)基礎(chǔ)上，為了實(shí)現(xiàn)研發(fā)目標(biāo)，需要在眾多磁性材質(zhì)中選取最優(yōu)材質(zhì)組合方案。

3.3 關(guān)于傳輸速率的新產(chǎn)品性能測(cè)試方案研究

網(wǎng)絡(luò)變壓器作為一種電子產(chǎn)品，影響其最終產(chǎn)品參數(shù)性能和傳輸速率的因素較多。因此，當(dāng)研制出產(chǎn)品樣品后，需要在科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臏y(cè)試方案下有條不紊地進(jìn)行分項(xiàng)測(cè)試、比對(duì)和分析研究，才能研制出符合項(xiàng)目要求的最佳樣品。

4 結(jié)論

（1）隨著5G時(shí)代的到來，寬帶正在不斷的提速升級(jí)，而且高達(dá)10Gb/s 傳輸速率的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)得以建立，企業(yè)和消費(fèi)者對(duì)無線信號(hào)的穩(wěn)定性要求越來越高，這對(duì)貼片式網(wǎng)絡(luò)變壓器的傳輸效率提出了更高的要求。

（2）本項(xiàng)目組嘗試在線路中影響傳輸速率提升的因數(shù)方面進(jìn)行重點(diǎn)突破，如在優(yōu)化貼片網(wǎng)絡(luò)變壓器的磁芯結(jié)構(gòu)、初始磁導(dǎo)率及線材的線徑和繞線結(jié)構(gòu)等方面要考慮高頻變壓器耦合系數(shù)、高頻介質(zhì)損耗以及趨膚效應(yīng)等帶來的影響。

（3）可以通過試驗(yàn)性應(yīng)用、訂單式規(guī)?；a(chǎn)、技術(shù)合作與服務(wù)等方式，將項(xiàng)目所開發(fā)的新一代貼片網(wǎng)絡(luò)變壓器技術(shù)進(jìn)行推廣應(yīng)用。