以太网变压器反转问题技术分析

frankie.wang · 发表于 2016-1-25 16:33

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进进按语：

我们之前声明过，鼎阳硬件设计与测试智库在前两年将只聚焦于问题，汇聚针尖式问题，研究针尖式问题，专注，深耕。有硬件问题，找鼎阳硬件智库。同时，我们强调在分析问题、解决问题的过程中，我们试图加强设计与测试的融合这样的理念。

本文是一个典型的遇到问题之后解决问题的过程。从单板上的125MHz信号导致EMI超标想到改变变压器反转（这个名词是作者公司内部的术语，我在没有看完全文时就启动搜索，也没查出什么），但采用变压器反转将共模扼流圈放在PHY侧的方式虽然解决了EMI问题又带来了信号失真的问题，接着通过改变变压器设计，由两线制改为三线制解决了信号失真问题。

可以看出这个解决问题过程中的逻辑分析能力和跨界学习也很重要。要融汇设计与测试。譬如如果不熟悉示波器的测试，本来没有问题，但是测量方法或测量仪器使用不当带来虚惊问题也常有发生。或者是本来真的有问题,但没有用好仪器，方向又走偏了。譬如要熟悉变压器的原理，理解透彻变压器的本质。要理解透彻共模噪声的概念。要理解传输线阻抗的概念。要搞清楚FLP信号的特点。…… 这过程中“针尖式”的细节问题很多。

我给作者打了十几次电话才慢慢搞明白这篇文章。大家如果在阅读中发现不理解的地方，请放马过来！当然，准确地描述问题本身就是一种能力！

以太网变压器反转问题技术分析

曹跃林

鼎阳硬件设计与测试智库发起人

鼎阳硬件设计与测试智库发起人之一专家组成员

〔摘要〕本文主要讨论了基于某厂商以太网套片设计的变压器反转应用，通过变压器反转对于以太网驱动的影响进行了深入的探讨，对后续网络变压器应用的分析有一定的参考意义。

〔关键词〕：以太网变压器反转

〔略缩语〕

CM Choke ：Common Mode Choke（共模扼流圈）

FLP ：Fast Link Pulse

一前言

以太网硬件接口作为以太网网络传输系统中物理层互连组件，在长期以来的硬件系统设计中已经逐步形成了一套标准的接口设计以及规范。以太网变压器作为其中的关键器件，也有其明确的指标定义要求，在系统板级设计中是和PHY驱动部分紧密相关的。一些不经意的使用上的改变，都有可能造成无法预计的后果。

二以太网变压器功能及其使用设计

以太网变压器就其功能而言主要有以下三个：

(1) 实现无失真的以太网信号传输；

(2) 满足IEEE802.3的电气隔离要求；

(3) 单板辐射发射的抑制。

早期的100Mbps&1000Mbps以太网变压器主要由Transformer，Autotransformer，CM Choke组成，如Figure 1所示。

Figure 1：早期的100Mbps&1000Mbps以太网变压器结构

变压器的关键技术参数如Figure 2所示：

Figure 2：变压器的关键技术参数

标准的设计根据以太网PHY芯片的驱动类型，主要分为电流驱动型设计和电压驱动型设计。电压驱动型设计如Figure 3所示。

Figure 3: 电压驱动型变压器设计图

Figure 4所示的是比较早期的网口标准设计，电压驱动型所有驱动部分集成在芯片内部，网络变压器的中心抽头通过电容接地，提供共模杂讯的到地通路。发送方向上CM Choke和AutoTransformer是放在Wire side的， AutoTransformer的作用是对差模信号呈现高阻，对共模信号呈现低阻，这样，一方面可以提供Cable pair（差分信号“线对”如图中1，2和3，6）上共模信号到设备外壳地的低阻通路，另外可以实现Diff Pair（差分信号线对之间，如图中1，2和3，6之间）间150欧姆的线对间匹配(也就是Bob Smith匹配)。

Figure 4：早期的网口标准设计

但是在实际的网络终端设备接口设计中，因为设备的外壳是浮地的，网口的高压电容会连接到单板的信号地，这样实际上会增强Cable侧和PHY侧的共模噪声，是不推荐使用的。所以，在目前的设计中，AutoTransformer已经很少使用了，而是采用有着共模抑制能力更强性能的CM Choke以及更好平衡传输性能的网络变压器，直接将CT从中心抽头处引出。如Figure 5所示，而且为了支持Auto MDII-X功能,芯片内部的TX&RX可以切换，变压器的TX&RX中心抽头连接在了一起，可以同时连接直流驱动电压。CM Choke统一放置在了Cable侧，这就是我们目前常规使用的变压器设计。

Figure 5：变压器的TX&RX中心抽头连接在了一起

电流驱动型因为芯片的发送单元采用电流驱动设计，所以需要外部有一个直流电压驱动信号，这个电压设计中一般都采用从网络变压器的Center Tap输入，这样做的另一个好处就是可以通过连接低一级的电压实现Power Saving的功能，如Figure 6所示：

Figure 6：电流驱动型变压器设计图

三网络变压器反转使用问题分析

通过以上介绍，我们已经了解了目前常规的以太网网络变压器的内部结构以及CM Choke的位置。具体到这个案例中的产品网口设计如Figure 7所示：

Figure 7：本案例的产品网口设计

通过设计我们可以了解到，变压器中心抽头接V2.5，芯片为电流驱动型。产品在RE整改验证中因为单板125Mhz及其倍频能量从网口辐射出来导致测试Fail。工程师在现场采用了将网络变压器反转的方案，发现CM Choke在芯片侧可以有效的抑制125Mhz及其倍频辐射，而且不影响使用。就确定了这个方案，反转后如Figure 8所示。

Figure 8：将网络变压器反转的方案示意图

但是在随后的批量验证中却发现，网络变压器反转后出现了不同网卡的兼容性以及长距离连接问题，自适应条件下无法连接，但网卡强制为100M&10M条件下可以连接，而且即使连接上的网卡Ping包也会出现问题。看来，变压器的反转影响到了以太网信号了。需要对变压器的关键技术参数以及实际输出的以太网信号进行分析确认。变压器厂家反馈变压器反转后测试的关键技术参数没有差异。只有从实际的信号分析展开了。

首先，我们通过示波器进行了自适应情况下问题产品发送FLP信号的波形测试(自适应即自协商，互连端口通过FLP信号交互和应答双方的支持能力信息并建立稳定的物理层连接，详见参考资料《通过百兆以太网诱导发包测试机制深入研究以太网自协商原理》，测试样机上电启动，网口工作在自适应状态下，测试发现FLP信号果然出现了问题。

Figure 9：变压器反转情况下PHY输出的FLP数据

我们可以看到，这种情况下FLP会出现0101000000010111的异常码字，而变压器不反转情况下的FLP码字为 1000011110000001才是正常的链路码字。

Figure 10：变压器正常使用时的FLP数据

在将信号波形展开进行具体分析后，发现变压器反转使用条件下的FLP信号波形已经发生了畸变。

Figure 11：发生畸变的FLP信号波形

正常变压器使用条件下FLP信号在变压器两侧是信号对应，并且幅值大小是满足变压器的插损的。

Figure 12：正常使用下的FLP信号波形

到底是什么原因导致变压器反转使用条件下FLP信号发生了如此大的变化导致系统工作的异常？这需要对变压器反转前后以太网的信号模型进行进一步的分析。目前芯片的PHY Transceiver采用电流驱动单元，要求变压器中心抽头接一个直流电压驱动发送信号。电流驱动单元比较复杂，可采用一个简化的CML模型（仅提供参考，无法完全对应一致的内部驱动结构）来模拟内部驱动部分如Figure 13所示。

Figure 13：采用CML模型模拟内部驱动

可以看到，电流驱动设计采用变压器中心的VDD25直流电压驱动，在信号驱动条件下，因为2-line CM Choke对于Vout+ Current和Vout- Current驱动电流产生了很大的共模阻抗，影响了信号电流变化，直接导致了信号的畸变，同步测试的电流和电压波形也说明了这个问题。

Figure 14：同步测试的电流和电压波形

脉冲驱动电流的大小已经被限制在了10mA以下，而变压器不反转情况下脉冲驱动电流应该在30mA左右，正常信号电流波形如Figure 15所示。

Figure 15：正常的信号电流波形

问题到了这里，已经基本分析确认清楚，要解决这个问题，必须解决CM Choke对于信号电流的影响，变压器原厂提出了基于目前2-line CM choke的问题，采用3-line CM Choke的解决方法：通过将中心抽头的输入也同步绕制在CM Choke上，以抵消CM Choke对于信号电流的影响。具体信号模型如Figure 16所示。

Figure 16：采用3-line CM Choke的解决方法

通过实际的样品验证，可以看到信号波形和电流正常，可以解决目前的问题。

Figure 17：信号波形和电流正常

经过以上分析，变压器反转DUT在自适应情况下的异常原因已经清楚了，那么为什么将互连PC的网卡强制为100M或者10M就可以连接上呢？这可以从以太网的物理层互连机制中的并行检测得到答案。

为了保证在对端不能支持自协商的情况下也能连接，引入了被称为并行检测（Parallel Detection）的机制。在一端打开自协商，另一端关闭自协商的情况下，连接的建立就依靠并行检测功能实现。并行检测机制的含义是：在具有自协商能力的设备端口上，如果接收不到FLP，则检测是否有10M链路的特征信号或100M链路的特征信号。

如果设备是10M设备，不支持自协商，则在链路上发送普通连接脉冲（Normal Link Pulse）简称NLP。NLP仅仅表示设备在位，不包含其它的额外信息。NLP脉冲如Figure 18所示。

Figure 18：NLP脉冲

如果100M设备不支持自协商，则在没有数据的情况下，在链路上一直发送4B/5B编码的Idle符号。

并行检测机制如果检测到NLP，则知道对方支持10M速率；如果检测到4B/5B编码的Idle符号，则知道对方支持100M速率。但是对方是否支持全双工、是否支持流控帧这些信息是无法得到的。因此在这种情况下，认为对方只支持半双工，不支持全双工，且不支持流控帧。

基于以上原理，在对端不打开自协商时，打开自协商的一方只能协商成半双工模式。

802.3协议规定，通过并行检测建立连接后，PHY的状态寄存器（PHY标准寄存器地址1）的自协商完成bit（bit5）依然要置位成1，尽管链路上并非使用了真正的自协商操作。同时规定在自协商完成bit为1的情况下，本地自协商能力寄存器（PHY标准寄存器地址4）和对端自协商能力寄存器（PHY标准寄存器地址5）是有意义的。所以，要把寄存器5中的数据更新。如果建立的连接为10M，则寄存器5的10M能力bit（bit5）置1，其它bit置0，表示对端只能支持10M半双工；如果建立的连接为100M，则寄存器5的100M能力bit（bit7）置1，其它bit置0，表示对端只能支持100M半双工。

所以，当互连的PC网卡强制为10Mbps或100Mbps模式时，会发送对应的链路特征码，DUT会根据这些链路特征码进行识别，并设定自身工作在同速率的半双工模式，而不是通过自适应条件下的FLP交互应答来进行确认了。

四问题分析结论及建议

综合以上，我们可以有如下结论：

(1) 变压器反转使用在基于电流驱动型设计时，需要确保CM Choke on PHY side采用3-line CMC设计而不是2-line CMC，以规避CMC对于信号电流的影响。

(2) CM Choke on PHY side的设计从其原理以及共模抑制效果来看，都是好于CM Choke on Wire side的，CM Choke on Wire side最初的设计是针对设备外壳接地的使用条件，基于目前的网络终端产品设计实际上有很多的弊端。器件和芯片原厂都比较推荐CM Choke on Phy side设计。建议可以直接在标准设计中就采用CM Choke on Phy side。

[参考文献]

1: BCM 10/100 and Gigabit PHY Devices AN103 Application Note , BCM Corp

2: 通过百兆以太网诱导发包测试机制深入研究以太网自协商原理 Gongjin Corp

3: Function of Etherent Magnetics