CN108600058A - 一种以太网信号传输接口电路和网络设备 - Google Patents

一种以太网信号传输接口电路和网络设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种以太网信号传输接口电路和网络设备，接口电路包括以太网接口、USB接口和脉冲变压器，所述USB接口通过所述脉冲变压器连接所述以太网接口。网络设备包括以太网信号传输接口模块，所述以太网信号传输接口模块包括以太网接口、USB接口和脉冲变压器，所述USB接口通过所述脉冲变压器连接所述以太网接口。本发明通过脉冲变压器连接以太网接口与USB接口，可实现以太网接口与USB接口间单独某一差分信号线对的POE传输设置，可方便设计人员根据后端POE传输速率需求不同，自定义地灵活地配比以太网接口与USB接口间多个差分信号线对的混搭情况，具有更加灵活的布线方式和更强接口适配能力。

Description

一种以太网信号传输接口电路和网络设备
技术领域
本发明涉及通讯技术领域，尤其设计一种以太网信号传输接口电路和网络设备。
背景技术
现有的以太网技术应用中，除了被用于为一些基于IP的终端(如IP电话机、无线局域网接入点AP、网络摄像机等)传输数据网络信号的，还被用于为此类设备提供直流供电，这种技术被称作POE(Power Over Ethernet)，也被称为基于局域网的供电系统(POL，Powerover LAN)或有源以太网(Active Ethernet)，它利用现存标准以太网传输电缆的同时传送数据和电功率的最新标准规范，并保持了与现存以太网系统和用户的兼容性，被广泛应用在路由器、交换机等局域网设备中。
目前传输POE的电路中，主要通过隔离变压器来实现，常见的隔离变压器为传统信号变压器，它是一个集成芯片，电路板印刷使用时，其每个管脚分别与以太网接口(如RJ45接口)的每个触点一一对应连接；传统信号变压器内部包括多个脉冲变压器和共模滤波器配合模块，信号传输时，脉冲变压器起到将网络信号和直流电源分离开来的作用，PSE(供电设备)的直流电源从脉冲变压器的初级中心抽头灌入，PSE与PD(受电设备)之间通过双绞线同时传输网络信号和直流电源，PD设备从脉冲变压器的次级中心抽头取出直流电，从脉冲变压器次级绕组的另一端取出网络信号。但由于传统信号变压器无法采用纯工厂自动化生产，需要通过人工绕制线圈，出现了产量低、成本高且器件较大，在电路板上的占用面积较大，布线不灵活的问题，不利于产品小型化、高产出和高效益发展。此外，传统信号变压器由于它的集成性，无法只针对单独某几组差分线对的POE传输进行线路改造，不能满足现有技术以太网接口结构组成的灵活配比(如千兆网口和百兆网口的不同传输线的应用)，不利于接口产品高速化、智能化发展需求。
现有的局域网设备中，其以太网接口以及以太网信号传输接口电路的设置占用体积比较大，一直是困扰设有以太网接口设备小型化发展的一个关键问题。
为了解决以太网接口体积占比影响设备小型化问题，近几年，出现了一些USB接口转接以太网接口的设备，即仅需在局域网设备中设置占用体积相对较小的USB接口以及与USB接口相关的电路，当局域网设备需要完成以太网信号传输时，通过USB接口转接以太网接口设备的转接即可实现。虽然减小了局域网设备的体积，但也增加了附带设备，该附带设备由于其接口电路现有设计的局限性导致设备体积并不小，而且还容易丢失。为此需要进一步设计接口电路，满足局域网设备精致小巧的发展需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种能够应用于POE传输，布线方便灵活，能够方便设计人员根据网口速率需求灵活更改电路设计的以太网信号传输接口电路和网络设备。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种以太网信号传输接口电路，包括以太网接口、USB接口和脉冲变压器，所述USB接口通过所述脉冲变压器连接所述以太网接口。
进一步地，所述脉冲变压器包括第一绕组和第二绕组，所述第一绕组的两端分别连接所述USB接口，所述第二绕组的两端分别连接所述以太网接口。
进一步地，所述第一绕组设有第一中心抽头，所述第一中心抽头与第一Bob-Smith电路连接。
进一步地，所述第二绕组设有第二中心抽头，所述第二中心抽头与第二Bob-Smith电路连接。
进一步地，同一所述USB接口至多通过12个所述脉冲变压器或至少1个所述脉冲变压器连接所述以太网接口。
一种网络设备，包括以太网信号传输接口模块，所述以太网信号传输接口模块包括以太网接口、USB接口和脉冲变压器，所述USB接口通过所述脉冲变压器连接所述以太网接口。
进一步地，还包括AC/DC电源模块，所述AC/DC电源模块输出端连接所述脉冲变压器。
进一步地，所述脉冲变压器设有第一绕组，所述第一绕组设有第一中心抽头，所述第一绕组的两端分别连接所述USB接口，所述第一中心抽头连接所述AC/DC电源模块输出端的正极或负极。
进一步地，所述脉冲变压器设有第二绕组，所述第二绕组的两端分别连接所述以太网接口。
进一步地，所述第二绕组设有第二中心抽头，所述第二中心抽头连接第二Bob-Smith电路，所述第一中心抽头连接第一Bob-Smith电路。
采用上述技术方案后，本发明的有益效果是：通过常规电子器件脉冲变压器连接以太网接口与USB接口，可实现以太网接口与USB接口间的POE传输，同时还能满足3C标准的浪涌测试，此外，现有技术中的单个脉冲变压器体积占用少，且能够用于以太网接口与USB接口间某一对差分信号线之间的POE传输，故以太网接口与USB接口间可以以一对差分信号线为单位，根据传输需求更改电路设计，自定义的组配哪几组差分信号线连接脉冲变压器以及连接何种规格的脉冲变压器，相比传统信号变压器只能以一以太网接口为单位更改电路设计的方式，更加灵活和节省成本，有利于方便设计人员灵活根据后端设备网口速率接收能力或接收需求灵活更改电路设计，提高接口适配能力；
设置第一Bob-Smith电路和第二Bob-Smith电路均有利于平衡网络，消除以太网网络信号传输中的EMI(电磁干扰)和隔离高频信号(如高电压)，使得信号传输更加稳定和完整，有利于提高静电防护和浪涌防护；
设置网络设备包括以太网信号传输接口模块和AC/DC电源模块，AC/DC电源模块输出端连接所述脉冲变压器，有利于实现两个接口之间POE传输的同时为以太网接口或USB接口提供直流电，以便最终为连接以太网接口或USB接口的终端设备提供电源，集电源供电与POE传输于一体，增强了网络设备功能的同时能够使得网络设备和与该网络设备连接的终端设备往小型化方向发展；
设置第一绕组设有第一中心抽头，第一绕组的两端分别连接USB接口，第一中心抽头连接AC/DC电源模块输出端的正极或负极时，能够构成USB接口的供电回路，满足对与USB接口连接的终端设备进行直流供电的同时满足隔绝以太网接口处直流电源，使得以太网接口不带电的需求；相比现有技术中隔直电容的使用能够承受更高直流电压的传输，且不容易被击穿，可满足3C标准的浪涌测试。
综上，本发明具有更加多元化的组配设计，能够适配于多种供电设备和受电设备的信号收发需求，此外，使用器件较少，体积占用小，有利于设备的小型化发展。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术的技术方案，附图如下：
图1为本发明实施例1提供的一种以太网信号传输接口电路结构示意图；
图2为本发明实施例2提供的一种以太网信号传输接口电路结构示意图；
图3为本发明实施例4提供的一种网络设备结构示意图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
目前，行业内在POE应用中，会设计使用传统信号变压器进行直流信号和网络信号的分离和传输，但是该应用中，一方面因采用人工绕制线圈，成本相对较高、产量较低且在PCB板占用体积大，另一方面由于传统信号变压器集成了多个脉冲变压器和共模滤波器，在PCB板的布局不够灵活；且传统信号变压器的电路中只能以一个以太网接口为单位更改不同信号线的传输内容，即连接传统信号变压器的以太网接口的所有差分线对的传输内容都是固定的，不能根据后端受电设备的POE接收需求灵活的调配不同差分线对的传输内容，导致该类型接口的适配范围有较大的局限性。
现有的USB接口转接以太网接口的应用中，一方面会设计USB接口能够为设备提供直流电源，另一方面会设计以太网接口与USB接口之间能够实现POE传输，以太网接口与USB接口之间实现POE传输也一般采用上文提到的传统信号变压器，其存在的缺陷如上文所述，此处不再赘述；设计USB接口能够为设备提供直流电源时，会采用电感辅助直流电的传输，会采用电容来隔离USB接口与以太网接口之间的直流电源，以使得以太网接口不带电，还会采用TVS管帮助实现静电防护；但电容的耐压值需要根据传输电源电压的不同随时调整，确保电容的耐压值至少为电源电压的2倍以上，然而耐压值较高的电容成本较高，且不具有通用性，此外，电容在进行浪涌测试时，容易被击穿，导致信号传输线路的阻断，以太网接口失效。
本发明解决上述存在的问题，提出一种以太网信号传输接口电路和网络设备，具体实施如下：
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种以太网信号传输接口电路，包括以太网接口100、USB接口200和脉冲变压器300，所述USB接口200通过所述脉冲变压器300连接所述以太网接口100。
以太网接口100与USB接口200之间设置脉冲变压器300最主要的作用是能够满足以太网信号传输中的POE传输，脉冲变压器300通过两个线圈利用法拉第电磁感应原理，将直流信号和网络信号分离开来，单个脉冲变压器300仅能够用于以太网接口100与USB接口200间某一对差分信号线之间的POE传输。其中，以太网接口100可以是RJ45接口中的WAN口或LAN口，USB接口200可以是现有USB接口中的任意一类，如USB1.0，USB2.0，USB3.0或者最新的可适用于正反插的Type-C接口，本实施例中USB接口200设置的是USB接口的母头，但不排除公头的应用；本实施例可被应用于如路由器等需要设置以太网接口的局域网设备进行以太网接口与USB接口200的数据转接，以此来除去局域网设备中以太网接口的设置，从而减小局域网设备体积，使其方便携带。
脉冲变压器的常规结构和一般控制变压器类似，由导电的绕组和导磁的铁心构成了脉冲变压器的核心部分。不过绝大多数脉冲变压器铁心做成环形，材料一般为坡莫合金或锰锌铁淦氧磁性瓷等；其绕组是双边或三边的，第三边绕组一般是为改善某种性能而设置的，绕组特点是通过改变副绕组的绕向来改变输出端脉冲信号的极性。
普通的脉冲变压器其内部一般包括有两个绕组，外部设有四个引脚，四个引脚分别对应两个绕组的两端，也有设有3个绕组，根据绕组设置数量的不同，具有不同个数的引脚。
本实施例中，具体可选用TDK株式会社ALT4532P系列的脉冲变压器，不仅具有常规的4个引脚，还具有两个中心抽头的引脚，可用于帮助信号实现稳定传输，它能够满足千兆以太网2.5GBASE-T(2.5Gb/s)和5GBASE-T(5Gb/s)LAN应用以及使用600-mA POE的1000BASE-T(1Gb/s)应用。与使用环形磁芯的传统产品不同，该新型变压器的特点在于其为全自动化生产流程和绕制流程优化了特殊磁芯设计，从而可实现非常稳定的质量且结构紧凑体型小巧。
数据传输过程中，利用脉冲变压器隔离电路来隔离输入或输出的应用案例并不少，它与光电耦合隔离电路相比，具有功耗低，干扰抑制性好的优良特点，且脉冲变压器隔离电路运用的是无源传输，因而还能起到很好的防爆作用。
现有的以太网信号数据传输对脉冲变压器的应用中，一般搭配共模滤波器使用，对同一以太网接口采用一个集成脉冲变压器和共模滤波器的数字集成芯片来实现POE传输，该芯片电路设计构成相对固定，连接使用时使得以太网接口所有的差分信号线都连接有脉冲变压器和共模滤波器，但网络POE传输时，并不是所有的差分线对都需要进行POE传输的，若还是坚持使用上述芯片不仅会造成PCB板布局空间占用、PCB电路板布局的不灵活，还会导致能耗的增加，产生成本和资源浪费，不利于以太网接口电路的长期发展。
本发明设计直接通过脉冲变压器300连接USB接口200和以太网接口100，具有POE传输、隔离直流电源、支持更高直流电压传输、静电防护以及防浪涌等多方面的功能；一方面减少共模滤波、隔离电容，防静电器件的使用，使结构更简单有利于方便PCB电路板布局和节省布局空间；另一方面由于单个脉冲变压器300能够用于以太网接口100与USB接口200间某一对差分信号线之间的POE传输，故以太网接口100与USB接口200间可以以一对差分信号线为单位，根据传输需求灵活更改电路设计，自定义的组配哪几组差分信号线连接脉冲变压器300以及连接何种规格的脉冲变压器300，从而提高本发明的设备兼容性，扩大适用范围，千兆以太网传输中以太网接口100的所有差分对都需要连接脉冲变压器300。
实施例2
如图2所示，与实施例1的区别在于，本实施例提供一种详细的以太网信号传输接口电路，所述脉冲变压器300包括第一绕组和第二绕组，所述第一绕组的两端分别连接所述USB接口200，所述第二绕组的两端分别连接所述以太网接口100。
上述设计，为本发明应用中最为简单的电路设计，该脉冲变压器300的四个引脚可分别设置与以太网接口100和USB接口任意一组差分信号线对的引脚连接，用于该组差分信号线对实现POE传输，当以太网接口100为多个时，还可以根据不同以太网接口100不同差分信号线对的以太网传输需求灵活的配比脉冲变压器300。
优选的，所述第一绕组设有第一中心抽头310，所述第一中心抽头310与第一Bob-Smith电路311连接。第一Bob-Smith电路311对USB接口200一侧的信号具有阻抗匹配、波形修复、信号杂波抑制和高电压隔离等作用，能够有利于平衡网络，消除以太网网络信号传输中的EMI，使得信号传输更加稳定和完整。第一Bob-Smith电路311包括两个元器件——电阻和电容，第一中心抽头310一端与电阻连接，电阻另一端连接电容后接地，一般接机壳地。电阻可选用75欧姆电阻，电容选用0.1uF/25V电容。
所述第二绕组设有第二中心抽头320，所述第二中心抽头320与第二Bob-Smith电路321连接。第二Bob-Smith电路321对以太网接口100一侧的信号具有阻抗匹配、波形修复、信号杂波抑制和高电压隔离等作用，能够有利于平衡网络，消除以太网网络信号传输中的EMI，使得信号传输更加稳定和完整。第二Bob-Smith电路321包括两个元器件——电阻和电容，第二中心抽头320一端与电阻连接，电阻另一端连接电容后接地，一般接机壳地。电阻可选用75欧姆电阻，电容选用1nF/2KV电容。
综上所述，本实施例优选的脉冲变压器300可有如下四种配置：仅具有第一绕组和第二绕组；具有第一绕组和第二绕组，且第一绕组设有第一中心抽头310，第一中心抽头310连接第一Bob-Smith电路311；具有第一绕组和第二绕组，且第二绕组设有第二中心抽头320，第二中心抽头320连接第二Bob-Smith电路321；以及具有第一绕组和第二绕组，且第一绕组设有第一中心抽头310，第一中心抽头310连接第一Bob-Smith电路311，第二绕组设有第二中心抽头320，第二中心抽头320连接第二Bob-Smith电路321。需要说明的是，脉冲变压器300常规电路中也会仅采用隔直电容代替Bob-Smith电路仅进行直流隔离，故本发明并不只局限于本文中所描述的第一中心抽头310和第二中心抽头320各自的上述提到的电路连接方式，上述电路连接方式仅是对于优选的电路连接进行阐述。
同一所述USB接口200至多通过12个所述脉冲变压器300或至少1个所述脉冲变压器300连接所述以太网接口100。USB接口200从具有最少的一对差分信号线对(USB1.0)到具有最多12对差分信号线对(Type-C)均可被应用于本电路中，其中Type-C类型的USB接口200可用于实现至多3个千兆RJ45接口或至多6个百兆RJ45接口的POE传输应用。且由于脉冲变压器300的灵活设置特性，USB接口200设置时，可同时设置百兆RJ45接口和千兆RJ45接口。有利于使得本发明能够为多种类型的设备进行POE传输。
实施例3
本实施例提供一种网络设备，包括以太网信号传输接口模块1，所述以太网信号传输接口模块1包括以太网接口100、USB接口200和脉冲变压器300，所述USB接口200通过所述脉冲变压器300连接所述以太网接口100。本实施例中的以太网信号传输接口模块1与实施例1的以太网信号传输接口具有相同的结构和功能，此处不多余赘述。
通过上述设计，该网络设备可根据实际信号传输需求，自定义的配比每组差分信号线对对应传输信号的类型(带电信号或不带电信号)，自定义的选取相应的以太网接口100和USB接口200，以完成网络设备接口种类多样化，从而较大范围的满足数据传输需求，扩大该网络设备的运用范围，产生较高的经济效益和用户满意度。
实施例4
如图3所示，本实施例与实施例3的区别在于，本实施例提供的一种网络设备，还包括AC/DC电源模块2，所述AC/DC电源模块2输出端连接所述脉冲变压器300。AC/DC电源模块2用于为连接以太网接口100或USB接口200的设备提供直流电源。本实施例中，将供电模块与以太网信号传输接口模块1结合，集成在同一设备上，该设备一方面能够通过以太网接口100和USB接口200实现与外界终端设备的连接，从而帮助这些外界终端设备实现相互之间POE传输，另一方面能够充当电源适配器的角色，为相应的外界终端设备提供电源输入，保障POE传输的进行，而且从供电到数据传输进行了统一的结合，帮助局域网连接设备(如路由器)实现轻小化发展。
所述脉冲变压器300设有第一绕组，所述第一绕组设有第一中心抽头310，所述第一绕组的两端分别连接所述USB接口200，所述第一中心抽头310连接所述AC/DC电源模块2输出端的正极或负极。一般情况下，以太网接口100会分为WAN口和LAN口，所述AC/DC电源模块2输出端的正极会与连接WAN口的脉冲变压器300的第一中心抽头310连接，所述AC/DC电源模块2输出端的负极会与连接LAN口脉冲变压器300的第一中心抽头310连接。PCB电路板布局时需要注意的是，线路中传输有直流电源的信号线均需进行加宽处理，从而保证供电电路的稳定传输，此外，连接有脉冲变压器300的差分信号线对在PCB电路板走线时需要挖空叠层，以保证100欧姆阻抗控制。
通过上述连接关系可知，本实施例中AC/DC电源模块2为USB接口200端提供直流电源，即本实施例中USB接口200带电，以太网接口100不带电。之所以如此设计，是考虑到现有的USB接口200中Type-C能够实现线路接口的正反插设计，具有一定的防呆作用，能够帮助用户轻松快速的实现电源供电，且USB接口200较之以太网接口100其占用的体积相对较小，有利于相关设备的小型化设计。
此外，本实施例进行3C标准浪涌测试时，能够很好的满足共模和差模的测试要求，无需额外设置TVS管或电感、电容，能够支持较高直流电源的传输。
所述脉冲变压器300设有第二绕组，所述第二绕组的两端分别连接所述以太网接口100。
所述第二绕组设有第二中心抽头320，所述第二中心抽头320连接第二Bob-Smith电路321，所述第一中心抽头310连接第一Bob-Smith电路311。
其中第一Bob-Smith电路311和第二Bob-Smith电路321均为电阻连接电容的并接地组合，其中第一Bob-Smith电路311中电阻可选用75欧姆电阻，电容选用0.1uF/25V电容。第二Bob-Smith电路321中电阻可选用75欧姆电阻，电容选用1nF/2KV电容。
综上，本发明能够以一对差分信号线对为单位灵活的在PCB板布局脉冲变压器300，线路可更改性高，具有较多的信号线传输类型(带电信号不带电信号)和接口转接类型(如一个Type-C转接1个千兆WAN口和2个千兆LAN口或一个Type-C转接1个百兆WAN口和5个百兆LAN口)混搭方式，结构简单、成本低，可批量生产具有高效益。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种以太网信号传输接口电路，其特征在于，包括以太网接口、USB接口和脉冲变压器，所述USB接口通过所述脉冲变压器连接所述以太网接口。
2.根据权利要求1所述的一种以太网信号传输接口电路，其特征在于，所述脉冲变压器包括第一绕组和第二绕组，所述第一绕组的两端分别连接所述USB接口，所述第二绕组的两端分别连接所述以太网接口。
3.根据权利要求2所述的一种以太网信号传输接口电路，其特征在于，所述第一绕组设有第一中心抽头，所述第一中心抽头与第一Bob-Smith电路连接。
4.根据权利要求2所述的一种以太网信号传输接口电路，其特征在于，所述第二绕组设有第二中心抽头，所述第二中心抽头与第二Bob-Smith电路连接。
5.根据权利要求1所述的一种以太网信号传输接口电路，其特征在于，同一所述USB接口至多通过12个所述脉冲变压器或至少1个所述脉冲变压器连接所述以太网接口。
6.一种网络设备，其特征在于，包括以太网信号传输接口模块，所述以太网信号传输接口模块包括以太网接口、USB接口和脉冲变压器，所述USB接口通过所述脉冲变压器连接所述以太网接口。
7.根据权利要求6所述的一种网络设备，其特征在于，还包括AC/DC电源模块，所述AC/DC电源模块输出端连接所述脉冲变压器。
8.根据权利要求7所述的一种网络设备，其特征在于，所述脉冲变压器设有第一绕组，所述第一绕组设有第一中心抽头，所述第一绕组的两端分别连接所述USB接口，所述第一中心抽头连接所述AC/DC电源模块输出端的正极或负极。
9.根据权利要求8所述的一种网络设备，其特征在于，所述脉冲变压器设有第二绕组，所述第二绕组的两端分别连接所述以太网接口。
10.根据权利要求9所述的一种网络设备，其特征在于，所述第二绕组设有第二中心抽头，所述第二中心抽头连接第二Bob-Smith电路，所述第一中心抽头连接第一Bob-Smith电路。
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