CN110770859B - 用于高速数据通信的具有增加的带宽的磁变压器 - Google Patents
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Abstract
隔离变压器包括变压器芯（300）。第一通孔和第二通孔（340、342）从第一表面延伸通过变压器芯到第二表面。每个通孔具有长形轮廓，其中长形轮廓的至少一部分提供了相应的平绕组表面。平绕组表面被变压器芯的中央部分间隔开。变压器缠绕有六电线电缆，所述六电线电缆具有中央非导电芯。第一导电电线、第二导电电线、第三导电电线、第四导电电线、第五导电电线和第六导电电线以基本上等间隔的角关系围绕和邻近中央非导电芯定位。第二导电电线定位在第一导电电线与第三导电电线之间；并且第五导电电线定位在第四导电电线与第六导电电线之间。导电电线以选定的绞合密度在中央非导电芯周围绞合。
Description
技术领域
此申请指向用于在高速数据通信中使用的导体和电路元件，并且更特别地，指向巴伦（balun）和绞合（twisted）电线电缆（wire cable）中的改进。
背景技术
变压器是通过使用感应耦合导体将电能从一个电路传送到另一个电路的装置。如众所周知的那样，初级绕组（primary winding）中的变化的电流产生变化的磁通量（magnetic flux），并因此产生通过次级绕组的变化的磁场。此变化的磁场在次级绕组中引发变化的电动势（“EMF”）或电压。理想的变压器假设的是：由初级绕组产生的所有磁通量耦合到变压器的各个次级绕组。然而，在实践中，由初级绕组产生的磁通量中的一些存在于次级绕组外部，由此表现出变压器具有与变压器绕组串联的电感的样子。此非理想的操作特性被称为漏电感（leakage inductance）。
漏电感是由绕组的不完美耦合引起的，绕组的不完美耦合产生了与次级变压器绕组的所有匝（turn）都不相连的漏通量。结果，跨过电路的漏电抗的电压下降导致低于理想的电压调整（voltage regulation），尤其是当变压器放置于负载下时。这在高频应用中特别成问题，在高频应用中电流的高频加剧了在变压器中见到的非理想寄生效应。
多年来，工程师们已认识到的是：减少在变压器上见到的漏电感的量提高了变压器的高频性能。迄今为止，减少变压器中见到的漏电感量的最常用方法传统地是通过将初级电线和次级电线绞合在一起，使绕组交错（例如，使初级绕组的个体或多层与次级绕组交替），或者备选地实施绕组的绞合和交错二者的组合，以便提高绕组之间的耦合。绞合和交错技术二者的目的是试图将电磁能量（内部能量和外部地产生的能量二者）尽可能均匀和完全地分配到初级绕组和次级绕组中的每个。然而，虽然可能实施绞合和交错的组合，但当使多于一套（set）的绕组交错时，绞合通常是非常难以完成的。这主要是由于以下事实：一旦有多于一个交错的绕组，就需要仔细地控制线束中的电线的顺序，以便获得最佳耦合。当使用交错结合电线绞合二者时，这通常是困难的。
对于高频通信，使用具有相对少的绕组的小型变压器，以使网络数据线与本地电路电气地隔离，使得网络数据线与本地电路之间的任何对地电位差（potentialdifferences to ground）不会导致数据线与本地电路之间的电流。例如，图1图示了可以用于隔离的已知变压器100。这种隔离变压器通常被称为“巴伦”。如所图示，变压器包括芯102，所述芯102包括导磁材料，导磁材料具有例如1500至5000的相对磁导率（μ/μ0）。多个电线104缠绕到芯上，以形成变压器的绕组。在所图示的实施例中，电线被分组在多电线（例如，三电线）电缆中。例如，第一三电线电缆106可包括两个初级电线和一个次级电线，并且第二三电线电缆108可包括两个附加的初级电线、另一个次级电线。每个电缆中的三根电线绞合在一起，以使每个电缆中的三根电线遭遇类似的由电磁噪声引起的扰动。
变压器芯102形成为椭圆形（例如，跑道形）本体110，其中第一圆柱形通孔112与第二圆柱形通孔114间隔开。在用于“能够处理高速通信的绝磁装置（Isolation MagneticDevices Capable of Handling High-Speed Communications）”的美国专利号7,924,130中详细描述了这种变压器的示例，该专利的全部内容通过引用并入本文中。如在美国专利号7,924,130中所描述，完整的变压器是通过以下形成的：使电线（电缆）104穿行（threading）通过第一通孔，并且通过第二通孔，以形成变压器的绕组。电线的端部选择性地互连（interconnect），以限定变压器的初级和次级绕组。本领域技术人员将领会的是，接收电线的圆形通孔使穿行通过通孔的电线沿着通孔的圆周被不同地间隔开。例如，跨过在通孔之间的芯的厚度，靠近芯的中心定位的电线的匝比更远离芯的中心的电线的匝更接近在一起。如图2的横截面视图中进一步示出，电线（电缆）倾向于在通孔之内聚集，而不是在通孔之内均匀分布。在一些构造中，电线的聚束可能引起特定绕组的起点（start）定位为靠近特定绕组的终点（finish），这可使绕组的起点与终点之间的寄生电容增大。
发明内容
尽管先前描述的电缆和变压器足以用于高达某些数据传输速率（例如，高达400MHz频率范围）的高速数据通信，但对更高的数据传输速率的需求已导致了对变压器的初级绕组与次级绕组之间的耦合进行改进的需求。
鉴于前文所述，存在对以下系统和方法的需求：该系统和方法提供在高速数据通信耦合器系统中的隔离变压器的绕组之间的增强的耦合。
本文中公开的实施例的一个方面是包括变压器芯的隔离变压器。第一通孔和第二通孔从第一表面延伸通过变压器芯到第二表面。每个通孔具有长形轮廓，其中长形轮廓的至少一部分提供了相应的平（flat）绕组表面。平绕组表面被变压器芯的中央部分间隔开。变压器缠绕有六电线电缆，所述六电线电缆具有中央非导电芯。第一导电电线、第二导电电线、第三导电电线、第四导电电线、第五导电电线和第六导电电线以基本上等间隔的角关系围绕并邻近中央非导电芯定位。第二导电电线定位在第一导电电线与第三导电电线之间；并且第五导电电线定位在第四导电电线与第六导电电线之间。导电电线以选定的绞合密度在中央非导电芯周围绞合。
本文中公开的实施例的另一方面是隔离变压器，隔离变压器包括变压器芯，变压器芯具有第一表面和第二表面。第一通孔从第一表面延伸通过变压器芯到第二表面。第一通孔具有长形轮廓，其中长形轮廓的至少一部分提供了第一平绕组表面。第二通孔从第一表面延伸通过变压器芯到第二表面。第二通孔具有长形轮廓，其中长形轮廓的至少一部分提供了第二平绕组表面。第二平绕组表面通过变压器芯的中央部分与第一平绕组表面间隔开。变压器进一步包括至少一个多电线电缆，至少一个多电线电缆包括第一导电电线、第二导电电线、第三导电电线、第四导电电线、第五导电电线和第六导电电线。第二导电电线定位在第一导电电线与第三导电电线之间。第五导电电线定位在第四导电电线与第六导电电线之间。在某些实施例中，第一通孔和第二通孔中的每个具有椭圆形轮廓，椭圆形轮廓具有中央矩形部分、第一半圆形端部部分和第二半圆形端部部分。第一平绕组部分和第二平绕组部分中的每个由相应通孔的中央矩形部分的相应侧来限定。在某些实施例中，至少一个多电线电缆包括第一三电线电缆，所述第一三电线电缆包括第一导电电线、第二导电电线和第三导电电线，其中，第一导电电线、第二导电电线和第三导电电线绞合在一起；并且所述至少一个多电线电缆进一步包括第二三电线电缆，所述第二三电线电缆包括第四导电电线、第五导电电线和第六导电电线，其中，第四导电电线、第五导电电线和第六导电电线绞合在一起。在某些实施例中，第一三电线电缆和第二三电线电缆缠绕到变压器芯上，其中第一三电线电缆的一匝定位在第二三电线芯的相邻匝之间。在其他某些实施例中，至少一个多电线电缆包括六电线电缆，所述六电线电缆包括第一导电电线、第二导电电线、第三导电电线、第四导电电线、第五导电电线和第六导电电线，其中，第一导电电线、第二导电电线、第三导电电线、第四导电电线、第五导电电线和第六导电电线在中央非导电芯周围螺旋地缠绕。
本文中公开的实施例的另一个方面是变压器芯，所述变压器芯包括磁性材料，所述磁性材料形成为固体，所述固体具有至少第一表面和第二表面。第一通孔从第一表面延伸通过磁性材料到第二表面。第一通孔具有长形轮廓，其中长形轮廓的至少一部分提供了第一平绕组表面。第二通孔从第一表面延伸通过磁性材料到第二表面。第二通孔具有长形轮廓，其中长形轮廓的至少一部分提供了第二平绕组表面。第二平绕组表面通过磁性材料的中央部分与第一平绕组表面间隔开。在根据此方面的某些实施例中，第一通孔和第二通孔中的每个具有椭圆形轮廓，所述椭圆形轮廓具有中央矩形部分、第一半圆形端部部分和第二半圆形端部部分。第一平绕组部分和第二平绕组部分中的每个由相应通孔的中央矩形部分的相应侧来限定。
本文中公开的实施例的另一个方面是用于变压器绕组的多电线电缆。电缆包括中央非导电芯。至少第一导电电线、第二导电电线、第三导电电线、第四导电电线、第五导电电线和第六导电电线以基本上等间隔的角关系围绕并邻近中央非导电芯定位。第二导电电线定位在第一导电电线与第三导电电线之间。第五导电电线定位在第四导电电线与第六导电电线之间。导电电线以选定的绞合密度在中央非导电芯周围绞合。在根据此方面的某些实施例中，每个导电电线具有与选定的电线规格（gauge）相对应的共同直径。中央非导电芯具有至少与导电电线的共同直径同样大的直径。在根据此方面的某些实施例中，中央非导电芯包括单丝（monofilament）材料。在根据此方面的某些实施例中，多电线电缆仅包括六个导电电线和中央非导电电线。在根据此方面的某些实施例中，多电线电缆包括八个导电电线和中央非导电电线。在根据此方面的某些实施例中，多电线电缆包括九个导电电线和中央非导电电线。
本文中公开的实施例的另一方面是高数据速率耦合器系统，所述高数据速率耦合器系统包括隔离变压器和扼流圈（choke）。隔离变压器包括芯，所述芯具有第一表面和第二表面。第一通孔从第一表面延伸通过变压器芯到第二表面。第一通孔具有长形轮廓，其中长形轮廓的至少一部分提供了第一平绕组表面。第二通孔从第一表面延伸通过变压器芯到第二表面。第二通孔具有长形轮廓，其中长形轮廓的至少一部分提供了第二平绕组表面。第二平绕组表面通过变压器芯的中央部分与第一平绕组表面间隔开。变压器进一步包括至少一个多电线电缆，至少一个多电线电缆包括中央非导电芯、第一导电电线、第二导电电线、第三导电电线、第四导电电线、第五导电电线和第六导电电线。第二导电电线定位在第一导电电线与第三导电电线之间。第五导电电线定位在第四导电电线与第六导电电线之间。第一导电电线和第三导电电线形成隔离变压器的第一初级绕组；并且第四导电电线和第六导电电线形成隔离变压器的第二初级绕组。第一初级绕组和第二初级绕组串联连接，以形成中心抽头（center-tapped）的初级绕组。第二电线形成隔离变压器的第一次级绕组；并且第五电线形成隔离变压器的第二次级绕组。第一次级绕组和第二次级绕组串联连接，以形成中心抽头的次级绕组。扼流圈缠绕有第二导电电线和第五导电电线的相应端部段。在根据此方面的某些实施例中，至少一个多电线电缆包括六个导电电线和中央非导电电线。在根据此方面的其他实施例中，至少一个多电线电缆包括第一三电线电缆和第二三电线电缆。在具有第一三电线电缆和第二三电线电缆的某些实施例中，第一导电电线、第二导电电线和第三导电电线在第一三电线电缆中，并且其中，第四导电电线、第五导电电线和第六导电电线在第二三电线电缆中。
附图说明
下文联系附图详细描述此公开的前述方面和其他方面，在附图中：
图1图示了已知的隔离变压器的透视视图；
图2图示了沿图1中的线2-2截取的图1的隔离变压器的横截面视图；
图3图示了具有长形通孔的变压器芯的透视视图，该视图示出了变压器芯的前侧、顶侧和右侧；
图4图示了图3的变压器芯的旋转透视视图，该视图示出了变压器芯的后侧、底侧和左侧；
图5图示了并入有图3和图4的芯的变压器的透视视图，变压器包括第一线圈和第二线圈，第一线圈和第二线圈包括第一三电线电缆和第二三电线电缆中的每个三匝；
图6图示了沿图5的线6-6截取的图5的变压器的横截面视图；
图7图示了图5和图6的变压器的示意图；
图8图示了六电线电缆的一段，六电线电缆具有中央非导电芯，六个导电电线以绞合的样式围绕中央非导电芯缠绕；
图9图示了沿图8中的线9-9截取的图8的六电线电缆的横截面视图；
图10图示了并入有图3和图4的变压器芯以及图8和图9的六电线电缆的变压器的透视视图；
图11图示了沿图10中的线11-11截取的图10的变压器的横截面视图；
图12图示了图10和图11的变压器的示意图，示出了六电线电缆的六个电线作为在变压器的芯周围的绕组；
图13图示了变压器的透视视图，在其中图8的六电线电缆缠绕到环形（toroidal）芯结构上；
图14图示了高数据速率耦合器系统的透视视图，高数据速率耦合器系统并入有图10和图11的具有六电线电缆的变压器以及缠绕有三电线电缆的环形芯；
图15图示了图14的变压器的放大透视视图，更详细地示出了至变压器的初级绕组的互连；
图16图示了图14的变压器的放大透视视图，更详细地示出了至变压器的次级绕组的互连；
图17图示了图14至图16的高数据速率耦合器系统的示意图，示出了初级绕组的互连以及次级绕组和环形线圈的互连；
图18图示了类似于图17的系统的高数据速率耦合器系统的示意图，高数据速率耦合器系统并入有图5和图6的变压器来代替图10和图11的变压器；
图19图示了高数据速率耦合器系统的透视视图，高数据速率耦合器系统并入有图5和图6的具有两个三电线电缆的变压器以及缠绕有三电线电缆的环形芯；
图20图示了类似于图8的视图的横截面视图，其中，多电线电缆包括围绕非导电芯的八个导电电线；以及
图21图示了类似于图8的视图的横截面视图，其中，多电线电缆包括围绕非导电芯的九个导电电线。
具体实施方式
在所附的图中公开了并且在下文描述了一种改进的高数据速率隔离变压器。实施例被公开来用于说明变压器，并且除了如在所附权利要求中限定的以外，实施例并非限制性的。
图3和图4图示了根据所公开的实施方式的变压器芯300。不同于先前描述的图1和图2的椭圆形变压器100的芯，图3和图4中的变压器芯300具有整体盒状（平行六面体）外观，整体盒状外观具有六个通常矩形的侧面。在参考X、Y和Z坐标的图示定向中，芯具有顶表面310、底表面312、左表面314、右表面316、前表面318和后表面320。第一（顶-底）中央轴线330平行于Y轴线，从顶表面到底表面穿过芯的中心。第二（左-右）中央轴线332平行于X轴线，从左表面到右表面穿过芯的中心。第三（前-后）中央轴线334平行于Z轴线，从前表面到后表面穿过芯的中心。三个中央轴线在芯的中心处相交。对顶、底、左、右、前和后的参考是为了方便提供以下描述。本领域技术人员将领会的是，在构建期间和使用中，变压器芯可以以多种不同的定向来定向。
在所图示的实施例中，变压器芯300具有沿顶-底中央轴线330的大约0.136英寸的高度、沿左-右中央轴线332的大约0.120英寸的宽度和沿前-后轴线334的大约0.120英寸的厚度（深度）。尺寸仅为举例，并且并非意在为限制性的。如在图3中进一步所示，顶表面310和底表面312与相邻的左表面314和右表面316之间的边缘可以被倒角（例如，修圆），以去除尖锐边缘。
如在图3和图4中进一步所图示，变压器芯300包括第一长形通孔340和第二长形通孔342。每个长形通孔平行于前-后中央轴线334从前表面318到后表面320延伸穿过芯。在所图示的实施例中，两个长形通孔与前-后中央轴线基本上等距离地间隔开，并且还与芯的左-右中央轴线332等距离间隔开。
不同于先前描述的图1的芯100的圆形通孔110、112，图3和图4的变压器芯300的长形通孔340、342一般为椭圆形（例如，跑道形）。每个通孔在与左-右中央轴线332相平行的左到右方向上较宽，并且在与顶-底中央轴线330相平行的顶到底方向上较窄。每个长形通孔具有一般为矩形的中央部分350。第一半圆形端部部分352从矩形中央部分的左端部延伸。第二半圆形端部部分354从矩形中央部分的右端部延伸。每个长形通孔具有最接近芯的中心的相应内平表面356和最远离芯的中心的相应外平表面358。芯的中央部分360在两个通孔之间从芯的前表面318延伸到后表面320。芯的中央部分具有在两个通孔的相应平表面之间的标称高度。
在所图示的实施例中，每个长形通孔340、342具有从相应第一半圆形端部部分352的外周界到第二半圆形部分354的外周界的大约0.065英寸的整体宽度（W）。在所图示的实施例中，每个长形通孔具有从相应内平表面到相应外平表面的大约0.034英寸的高度（H），其对应于每个半圆形端部部分的直径。每个长形通孔的矩形中央部分350具有大约0.31英寸的宽度。通孔的内平表面彼此间隔开大约0.23英寸，其对应于芯的中央部分360的高度。上述尺寸和长形通孔的间距仅为示例，并且并非意在为限制性的。
图5图示了图3和图4的变压器芯300的透视视图，变压器芯300构造为变压器500的一部分，具有穿过长形通孔340、342并围绕芯的中央部分360缠绕的多匝电线。图6是图5的变压器的横截面视图。在所图示的实施例中，第一三电线电缆510和第二三电线电缆512以交错型式围绕芯的中央部分缠绕，使得第一电缆的三匝与第二电缆的三匝交错。在图7中示意性地图示了所得到的变压器。为了方便起见，在以下描述中，第一电缆中的电线中的两个标记为N1和N2，并且第一电缆中的第三电线标记为G。第二电缆中的电线中的两个在图5至图7中标记为B1和B2，并且第二电缆中的第三电线标记为R。在图5至图7中，图6中的每个电线的起点（左上部）进一步用S后缀标识，并且每个电线的终点用F后缀标记。每个电线的起点首先穿行通过第二（下部）长形通孔，并且出来通过第一（上部）通孔。每个电线的终点从第二（下部）长形通孔延伸。起点和终点标识可互换。
如在图7中示意性地图示，在图5和图6的变压器500的特定应用中，第一电缆510的N1和N2电线的起点（N1S和N2S）连接在一起，并且N1和N2电线的终点（N1F和N2F）连接在一起，使得N1和N2电线并联连接，用于缠绕在芯的中央部分周围。第二电缆512中的B1和B2电线的起点（B1S和B2S）连接在一起，并且B1和B2电线的终点（B1F和B2F）连接在一起，使得B1和B2电线并联连接，用于缠绕在芯的中央部分周围。第一电缆的N1和N2电线的互连终点（N1F和N2F）进一步连接到第二电缆的B1和B2电线的起点（B1S和B2S），使得并联连接的N1和N2电线以及并联连接的B1和B2电线串联连接为变压器的连续六匝初级绕组700。如在示意图中所示出，N1和N2电线的互连终点N1F、N2F以及B1和B2电线的起点B1S、B2S形成初级绕组的中心抽头702。N1和N2电线的互连的N1S和N2S端部段形成初级绕组的第一外引线704。B1和B2电线的互连的B1F和B2F端部段形成初级绕组的第二外引线706。
如在图7中进一步图示，第二电缆512中的R电线的终点（RF）连接到第一电缆510中的G电线的起点（GS），使得R电线和G电线串联连接为六匝次级绕组。如在示意图中所示，R电线的终点（RF）和G电线的起点（GS）的共同连接形成变压器500的次级绕组710的中心抽头712。R电线的RS端部段形成次级绕组的第一外引线714。G电线的GF端部段形成次级绕组的第二外引线716。在图示的实施例中，次级绕组以如所示出的交叉耦合的构造互连，以通过添加一半绕组间电容和降低漏电感来进一步改进通带（passband）中的阻抗匹配。
如图6中的横截面视图中所示，两个电缆510、512抵靠长形通孔340、342的相应内平表面356（见图3和图4中的元件编号356）定位，使得每个电缆的每一匝都邻近变压器芯300的中央部分360定位。如果电线的相邻匝的直径之和超过平内表面的范围，则如所示，在平内表面的一个或两个端部处的电线的匝可延伸到半圆形端部部分352、354中；然而，相应端部匝之间的芯的中央部分的高度相对于长形通孔的平内表面之间的芯的中央部分的标称高度的小的差异基本上不影响电线的匝之间的耦合的期望均匀性。
通过增加绕组中的电线的匝之间的耦合，并且还减少与绕组并联的变压器中的寄生元件（例如，如在图7中所示的在长形孔的相对端部处的在绕组的起点与绕组的终点之间的分布电容），图5至图7的变压器500的结构改进了变压器在更高数据通信速率下的操作。
变压器500的图5至图7的两个交错的三电线电缆510、512提供了初级绕组与次级绕组之间的耦合，用于在高达大约1800 MHz的宽的带宽下的数据通信。然而，用两个三电线电缆缠绕变压器要求将两个电缆在两个分开的步骤中缠绕到变压器芯300上，或通过使用在维持两个电缆的周界抵靠着芯的内表面356的同时允许两个电缆同时缠绕的技术来缠绕到变压器芯300上。
如果不要求通过两个交错的三电线电缆510、512提供的带宽，则变压器芯300可用单个多电线电缆来缠绕。例如，图8图示了可在单次操作中缠绕到变压器芯上的多电线电缆800中的一段。如所图示，多电线电缆包括六个导电磁电线，其中在六个导电磁电线上形成薄的上釉（enameled）绝缘体。这种磁电线可从许多供应商商业地获得。在所图示的实施例中，磁电线包括具有大约0.0045英寸的外直径的38规格电线；然而，以下描述易于适用于不同规格的电线。为了方便在以下讨论中引用电线，六个电线被标记为B1、B2、R、N1、N2和G。选定的标记B、R、N和G可分别指蓝色、红色、自然色和绿色；然而，也可使用其他颜色或其他技术来标识电线。在特定实施方式中，六个电线可具有用于绝缘的对应颜色，以允许当如下文所描述的那样地互连时容易地标识每个特定电线。
如在图8中所示，电缆800中的六个导电磁电线B1、B2、R、N1、N2、G围绕中央非导电芯丝830绞合，所述中央非导电芯丝830具有一般地与六个磁电线中的每个的直径相对应的直径。例如，芯丝直径可与磁电线的直径相同，或者芯丝直径可比磁电线的直径稍大。优选地，芯丝包括非磁性材料。例如，在一个实施例中，非导电、非磁性芯丝包括单丝材料，诸如尼龙、碳氟化合物、聚乙烯、聚酯或其他合适的材料。这种材料可类似于用于钓鱼线的材料。六个导电电线可围绕中央芯丝沿顺时针或逆时针方向绞合。在图8中示出了顺时针绞合方向。绞合密度（或紧密度）可如要求变化。在图示的实施例中，绞合密度被选择为在16捻每英寸（twists per inch）（TPI）到20 TPI的范围中。如所图示，六个导电电线中的每个螺旋地缠绕在中央非导电芯丝周围，其中每个导电电线的螺旋样式的起点相对于两个相邻导电电线的螺旋样式的起点成角度地间隔开60度。因此，如在图9中的六电线电缆的横截面视图中所图示，六个电线的中心在中央非导电芯丝的周围形成六角形样式。
在六电线电缆800的图示的实施例中，R电线定位在B1电线与B2电线之间，并且三个电线形成第一组电线。G电线定位在N1电线与N2电线之间，并且三个电线形成第二组电线。B1电线与N2电线相邻，并且B2电线与N1电线相邻。在本文中描述的实施例中，B电线的编号和N电线的编号是任意的，因为如在以下描述中将清楚的那样，每个B电线执行相同的功能，并且每个N电线执行相同的功能。六个导电电线紧紧地围绕中央芯830缠绕。包括中央芯防止了六个导电电线在绞合过程期间被向内推。因此，贯穿绞合过程，六个导电电线保留了围绕中央芯的初始B1-R-B2-N1-G-N2构造。每组中的三个电线在电缆的长度上保持在一起，其中R电线紧紧地定位在B1电线与B2电线之间，并且其中G电线紧紧地定位在N1电线与N2电线之间。如下文所描述，当缠绕在变压器芯300周围时，六个导电电线也保留期望的构造。
在图10和图11中图示了缠绕六电线电缆800的容易性，其中，六电线电缆以三匝线圈1010的形式缠绕到变压器芯300上，三匝线圈1010穿行通过第一（上部）长形通孔340和第二（下部）通孔342，以围绕芯的中央芯部分360形成变压器1000结构。为了以下讨论的目的，三匝线圈在它进入第二（下部）长形通孔时“开始”并在它离开第一（上部）长形通孔时“结束”。因此，在电缆的起点端部处的六电线电缆的六个电线N1、N2、B1、B2、G、R中的每个的相应第一端部段被标记有后缀“S”（例如，N1S、N2S、B1S、B2S、GS、RS）。在电缆的结束端部处的六个电线中的每个的相应第二端部段被标记有后缀“F”（例如，N1F、N2F、B1F、B2F、GF、RF）。
前面所描述的变压器500要求将两个三电线电缆510、512中的每个缠绕到变压器芯上三匝，总共六个缠绕匝。不同于图5的变压器500，图10的变压器1000仅要求将单个三匝单线圈1010缠绕到变压器芯上。如在图10和图11中所示，与以上所描述的两个三电线电缆的六匝相比，单线圈中的六电线电缆800的三匝在长形通孔340、342之内占据基本上较小的纵向（例如，左至右）空间。因此，六电线电缆的三匝中的每个抵靠通孔的相应内平表面356定位。
除了比两个三电线电缆510、512更容易缠绕之外，单个六电线电缆800可改进第一组绕组与第二组绕组之间的平衡或对称性。如以上所讨论，第一组绕组包括B1电线和B2电线，连同R电线。R电线紧紧地定位在B1电线与B2电线之间。第二组绕组包括N1电线和N2电线，连同G电线。G电线紧紧地定位在N1电线与N2电线之间。两组电线的布线定位在两组电线之间实现了对称耦合（例如，从B1和B2电线到R电线的耦合类似于从N1和N2电线到G电线的耦合）。进一步的优点是：当电缆穿行通过长形通孔并围绕变压器芯的前表面318和后表面320时，六电线电缆的六个电线一致地绞合。因此，六个电线经历类似的电磁扰动和其他扰动。
通过缠绕在中央非导电芯810周围的公共螺旋绕组提供的单个六电线电缆800优于两个三电线电缆510、512的优点被减少的带宽部分地抵消。第一套电线N1、G、N2相对于第二套电线B1、R、B2紧密地缠绕。与两个三电线电缆中分开地缠绕的两套电线之间的寄生耦合相比，紧密缠绕使共同缠绕的两套电线之间的寄生电容耦合增大。增大的寄生电容耦合可降低变压器1000相对于变压器500的整体带宽。例如，与缠绕有两个三电线电缆的变压器500的大约1800 MHz带宽相比，缠绕有六电线电缆的变压器1000可在高达大约1200 MHz的带宽下操作。
图12图示了图10和图11的变压器1000的基本示意图。如所图示，变压器包括缠绕到芯300上的六个绕组。第一绕组1200包括在起点端部段N1S与终点端部段N1F之间的N1电线。第二绕组1210包括在起点端部段N2S与终点端部段N2F之间的N2电线。第三绕组1220包括在起点端部段B1S与终点端部段B1F之间的B1电线。第四绕组1230包括在起点端部段B2S与终点端部段B2F之间的B2电线。第五绕组1240包括在起点端部段RS与终点端部段RF之间的R电线。第六绕组1250包括在起点端部段GS与终点端部段GF之间的G电线。
图8的六电线电缆800也可与其他变压器构造一起使用。例如，图13图示了变压器1300的透视视图，在其中图8的六电线电缆被缠绕到环形芯结构1310上。图13的环形变压器构造包括能够在单次操作中缠绕所有变压器绕组的优点，如以上相对于图10和图11的变压器1000所描述的那样。
图14图示了高数据速率耦合器系统1400的实施例，高数据速率耦合器系统1400的实施例并入了图10和图11的变压器1000。例如，高数据速率耦合器可在高达1200 MHz的带宽下操作。
图14的耦合器系统1400包括变压器1000，变压器1000缠绕有图8和图9的六电线电缆800，如以上所描述的那样。耦合器系统进一步包括环形扼流圈1410，环形扼流圈1410包括环形芯1412，环形芯1412缠绕有线圈1414，线圈1414具有多匝（例如，三匝）的三电线电缆。如下文所描述，环形扼流圈连接到变压器。六电线电缆的延伸端部选择性地互连，以使变压器和扼流圈互连，并形成至变压器的引线。在图15中示出了第一套互连的放大视图。在图16中示出了第二套互连的放大视图。当如图14至图16中所示互连时，变压器和环形扼流圈形成在图17中示意性地图示的电路。
在图15中，三匝线圈1010的R电线和G电线在芯300的第一（上部）通孔340处和第二（下部）通孔342处被截断，使得仅示出了到N1电线、N2电线、B1电线和B2电线的连接。如在图15中所示出和如在图17中示意性地表示，从芯300的第二（下部）长形通孔延伸的N1电线和N2电线的相应第一端部（起点）段N1S、N2S绞合在一起，以形成第一两电线电缆1420，第一两电线电缆1420具有在16与20捻每英寸之间的绞合密度。由第一端部段N1S、N2S形成的第一两电线电缆具有从三匝线圈延伸的大约1英寸的长度。第一端部段N1S、N2S的暴露的远端部（最远离三匝线圈的端部）被焊接或以其他方式电气地连接在一起。如在图17中示意性地示出，第一两电线电缆形成中心抽头的变压器1000的初级绕组1430的第一外引线1432。
如在图15中进一步示出和如在图17中示意性地示出，从芯300的第一（上部）长形通孔340延伸的N1电线和N2电线的相应第二端部段N1F、N2F与从第二（下部）长形通孔342延伸的B1电线和B2电线的相应第一端部段B1S、B2S绞合在一起。四个端部段N1F、N2F、B1S、B2S形成四电线电缆1440，四电线电缆1440以在16与20 TPI之间的绞合密度来绞合。四个端部段可具有大约1英寸的长度。四个端部段的暴露的远端部被焊接或以其他方式电气地连接在一起。如在图17中示意性地示出，四个端部段形成变压器1000的初级绕组1430的中心抽头引线1442。
如在图15中进一步示出和如在图17中示意性地示出，从芯300的第一（上部）长形通孔340延伸的B1电线和B2电线的相应第二端部段B1F、B2F绞合在一起，以形成第二两电线电缆1450，第二两电线电缆1450具有在16与20捻每英寸之间的绞合密度。由第二端部段B1F、B2F形成的第二两电线电缆具有从三匝线圈延伸的大约1英寸的长度。第二端部段B1F、B2F的暴露的远端部被焊接或以其他方式电气地连接在一起。第二两电线电缆形成中心抽头的变压器1000的初级绕组1440的第二外引线1452。
在图16中，再次示出了三匝线圈1010的R电线和G电线的延伸部分。N1电线、N2电线、B1电线和B2电线的延伸部分在芯300的第一（上部）通孔340处和第二（下部）通孔342处被截断，使得R电线和G电线在图16中可见。如在图16中所示出和如在图17中示意性地表示，R电线的第一端部段RS从第二（下部）长形通孔340延伸大约0.15英寸至大约0.2英寸的距离。类似地，G电线的第二端部段GF从第一（上部）长形通孔342延伸大约0.1英寸至大约0.15英寸的距离。端部段RS和端部段GF的远端部电气地连接到第三N电线的第一端部。第三N电线（没有后缀）并不是变压器1000的六电线电缆800的一部分。如在图16中所示，两个端部段RF、GS和N电线的端部形成变压器的次级绕组1460的中心抽头1462。
如在图17中进一步示出的，R电线的第一端部段RS形成变压器1000的中心抽头的次级绕组1460的第一外引线1464。G电线的第二端部段GF形成次级绕组的第二外引线1466。R电线的第一端部段RS和G电线的第二端部段GF与第三N电线绞合在一起，以形成从变压器1000延伸到环形扼流圈1410的三电线电缆1470，环形扼流圈1410与变压器间隔开大约0.1英寸至0.15英寸。在所图示的实施例中，三电线电缆以大约10捻每英寸的绞合密度绞合在一起。如在图14中所图示，三电线电缆围绕环形扼流圈的环形芯1412缠绕，以形成三匝环形线圈1414。线圈的三匝均匀地分布经过圆形芯的大约180度。如在图17中示意性地示出，R电线的RS端部段缠绕进第一线圈1472中，以形成环形扼流圈的第一绕组，并且G电线的GF端部段缠绕进第二线圈1474中，以形成环形扼流圈的第二绕组。当两个电线形成数据通信线的一部分时，环形扼流圈以传统的方式操作，以抑制R电线的RS端部段和G电线的GF端部段中的共模噪声（common mode noise）。连接到变压器1000的次级绕组1460的中心抽头1462的N电线也穿过环形芯，作为与第一线圈和第二线圈缠绕的第三线圈1476。N电线可电气地连接到用于DC电压的源（或目的地），DC电压的源（或目的地）通过以太网电缆提供电力，如在例如至Buckmeier等人的美国专利申请公开号2016/0187951A1中所描述，该申请于2016年6月30日公开并且其全部内容通过引用并入本文中。
在备选实施例中，在绕过环形扼流圈1410的绕组之前，可从三电线电缆1470中抽取N电线，使得环形芯仅缠绕有两个电线（R电线的RS端部段和G电线的GF端部段）。在另一个备选构造中，如果不要求通过以太网电缆供电，则可以消除来自变压器的次级绕组的中心抽头的N电线，使得环形芯仅缠绕有两个电线（R电线的RS端部段和G电线的GF端部段），并且仅通过两个端部段连接到隔离变压器。
如在图14、图15和图16中所图示，六个电线的延伸端部段是六电线电缆800的连续段，六电线电缆800的连续段形成三匝线圈1010。变压器1000的初级绕组1430的两个外引线1432和1452以及中心抽头引线1442仅要求电气连接到其他电路（未示出），耦合器系统1400并入到其他电路中。类似地，环形扼流圈1410的R电线和G电线分别是R电线的RS端部段和G电线的GF段的不间断的连续。从第三N电线和R电线的RF端部段和G电线的GS段的电气连接是在变压器的紧邻之内进行的仅有的电气连接。通过消除变压器与环形扼流圈之内的电线之间的电气互连，变压器是紧凑的且制造简单。因此，具有长形通孔340、342的变压器芯300和使所有绕组电线组合成单个紧凑电缆的六电线电缆800的组合在可制造性和功能性上提供了实质性改进。
图18和图19图示了耦合器系统1800，其类似于图14至图17的耦合器系统1400，并且其在更高的数据速率下操作。图18和图19的耦合器系统用图5和图6的变压器500来实施，图5和图6的变压器500并入有两个三电线电缆510、512。如以上所描述，两个电缆的N1S端部段和N2S端部段连接在一起，以形成初级绕组700的第一外引线704。N1F端部段、N2F端部段、B1S端部段和B2S端部段连接在一起，以形成初级绕组的中心抽头702。B1F端部段和B2F端部段连接在一起，以形成初级绕组的第二外引线706。RS端部段形成变压器的次级绕组710的第一外引线714。RF端部段和GS端部段以及附加的N电线形成次级绕组的中心抽头712。GF端部段形成次级绕组的第二外引线716。如以上所描述，环形线圈1410通过以下来实施：将第一外引线、第二外引线和附加的N电线绞合在一起，并将三个电线缠绕到环形芯1412上，以形成环形扼流圈的三个线圈。图18和图19的耦合器系统可根据用于40 GBaseT接口的IEEE802.3bq-2016的要求在1800 MHz的带宽下操作。
图8的多电线电缆可构造为具有围绕非导电芯的附加导电电线。例如，图20图示了电缆1900，电缆1900包括螺旋地围绕非导电芯1910的八个导电电线1920。在图示的实施例中（其中导电电线是38规格电线（例如，直径上大约为0.0045英寸）），非导电芯具有大约0.0073英寸的直径，该直径略大于34规格磁电线的直径。在图20中，每个螺旋地缠绕的电线与两个相邻的电线成角度地间隔开45度。作为另一个示例，图21图示了类似于图8的视图的横截面视图，其中，多电线电缆包括围绕非导电芯2010的九个导电电线2020。在图示的实施例中（其中导电电线是38规格电线（例如，直径上大约为0.0045英寸）），非导电芯具有大约0.0087英寸的直径，该直径略大于32规格磁电线的直径。在图21中，每个螺旋缠绕的电线与两个相邻的电线成角度地间隔开40度。
本领域技术人员将领会的是，前述实施例是本发明的阐示。本发明可有利地并入备选实施例中，同时保持在如由所附权利要求限定的本发明的精神和范围之内。
Claims (16)
1.一种隔离变压器，包括：
变压器芯，所述变压器芯具有第一表面和第二表面；
第一通孔，所述第一通孔从所述第一表面延伸通过所述变压器芯到所述第二表面，所述第一通孔具有长形轮廓，其中所述长形轮廓的至少一部分提供了第一平绕组表面；
第二通孔，所述第二通孔从所述第一表面延伸通过所述变压器芯到所述第二表面，所述第二通孔具有长形轮廓，其中所述长形轮廓的至少一部分提供了第二平绕组表面，所述第二平绕组表面通过所述变压器芯的中央部分与所述第一平绕组表面间隔开；以及
至少一个多电线电缆，所述至少一个多电线电缆包括第一导电电线、第二导电电线、第三导电电线、第四导电电线、第五导电电线和第六导电电线，所述第二导电电线定位在所述第一导电电线与所述第三导电电线之间，并且所述第五导电电线定位在所述第四导电电线与所述第六导电电线之间，其中：
所述第一导电电线和所述第三导电电线形成所述隔离变压器的第一初级绕组，并且所述第四导电电线和所述第六导电电线形成所述隔离变压器的第二初级绕组，所述第一初级绕组和所述第二初级绕组串联连接，以形成中心抽头的初级绕组；以及
所述第二导电电线形成所述隔离变压器的第一次级绕组，并且所述第五导电电线形成所述隔离变压器的第二次级绕组，所述第一次级绕组和所述第二次级绕组串联连接，以形成中心抽头的次级绕组。
2.如权利要求1中所限定的隔离变压器，其中，所述第一通孔和所述第二通孔中的每个具有椭圆形轮廓，所述椭圆形轮廓具有中央矩形部分、第一半圆形端部部分和第二半圆形端部部分，所述第一平绕组部分和所述第二平绕组部分中的每个由相应通孔的中央矩形部分的相应侧来限定。
3.如权利要求1所限定的隔离变压器，其中，所述至少一个多电线电缆包括：
第一三电线电缆，所述第一三电线电缆包括第一导电电线、第二导电电线和第三导电电线，所述第一导电电线、所述第二导电电线和所述第三导电电线绞合在一起；以及
第二三电线电缆，所述第二三电线电缆包括第四导电电线、第五导电电线和第六导电电线，所述第四导电电线、所述第五导电电线和所述第六导电电线绞合在一起，
其中，所述第一三电线电缆和所述第二三电线电缆缠绕到所述变压器芯上，其中所述第一三电线电缆的一匝定位在所述第二三电线电缆的相邻匝之间。
4.如权利要求1所限定的隔离变压器，其中，所述至少一个多电线电缆包括六电线电缆，所述六电线电缆包括在中央非导电芯周围螺旋地缠绕的所述第一导电电线、所述第二导电电线、所述第三导电电线、所述第四导电电线，所述第五导电电线和所述第六导电电线。
5.如权利要求4所限定的隔离变压器，其中，每个导电电线具有与选定的电线规格相对应的共同直径；并且
其中，所述中央非导电芯具有至少与导电电线的所述共同直径同样大的直径。
6.如权利要求4所限定的隔离变压器，其中，所述中央非导电芯包括单丝材料。
7.如权利要求4所限定的隔离变压器，其中，所述多电线电缆仅包括六个导电电线和所述中央非导电芯。
8.如权利要求4所限定的隔离变压器，其中，所述多电线电缆包括八个导电电线和所述中央非导电芯。
9.如权利要求4所限定的隔离变压器，其中，所述多电线电缆包括九个导电电线和所述中央非导电芯。
10.如权利要求1所限定的隔离变压器，其中，所述至少一个多电线电缆包括六电线电缆，所述六电线电缆包括以等间隔的角关系围绕和邻近中央非导电芯定位的所述第一导电电线、所述第二导电电线、所述第三导电电线、所述第四导电电线、所述第五导电电线和所述第六导电电线，所述第二导电电线定位在所述第一导电电线与所述第三导电电线之间，并且所述第五导电电线定位在所述第四导电电线与所述第六导电电线之间，所述第一导电电线、第二导电电线、第三导电电线、第四导电电线、第五导电电线和第六导电电线以选定的绞合密度在所述中央非导电芯周围绞合。
11.如权利要求10所限定的隔离变压器，其中，每个导电电线具有与选定的电线规格相对应的共同直径；并且
其中，所述中央非导电芯具有至少与导电电线的所述共同直径同样大的直径。
12.如权利要求10所限定的隔离变压器，其中，所述中央非导电芯包括单丝材料。
13.如权利要求10所限定的隔离变压器，其中，所述多电线电缆仅包括六个导电电线和所述中央非导电芯。
14.如权利要求10所限定的隔离变压器，其中，所述多电线电缆包括八个导电电线和所述中央非导电芯。
15.如权利要求10所限定的隔离变压器，其中，所述多电线电缆包括九个导电电线和所述中央非导电芯。
16.一种高数据速率耦合器系统，包括如前述权利要求中任一项所限定的隔离变压器，其中，所述高数据速率耦合器系统还包括扼流圈，所述扼流圈缠绕有所述第二导电电线和所述第五导电电线的相应端部段。
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