关键元器件选型设计指引--多端口RJ45及网络变压器

1.RJ45连接器（多端口）

  RJ45连接器是各类网通/数通产品在以太网端口设计实现上常见端口连接方式之一，是网通/数通产品最基础的功能也是最核心的功能之一，其品质、性能往往直接决定产品的品质和性能。针对RJ45连接器品类多样、应用各异、品质不一、性能及成本也不尽相同（特别是多端口RJ45连接器）等常见选型困惑及相关疑问，本选型指导旨在为交换机硬件设计在多端口RJ45连接器选型评估、测试验收、性能提升、品质加固及成本控制提供全面指导，以实现在最优成本条件下，产品硬件设计选型满足各种复杂的环境考验，提高产品的稳定性、可靠性等综合竞争力。

1.1器件及原理介绍

RJ45 连接器端口组合形态简介

RJ45连接器端口组合形态较多，交换机产品常用端口形态组合，如下列表所示。

表 1 RJ45连接器

连接器类型	端口组合形态	示图
RJ45	2x1
RJ45	2x4
RJ45	2x6
RJ45	2x8

以上列表形态在详细设计选型中，还需进一步明确产品设计需求。

                                                  

                                                          图 1 RJ45连接器PIN定义

图 2  RJ45连接器信号定义

1.2 选型及关键参数

电气特性

表 2  RJ45电气特性

电气特性	描述
额定电压	125VAC RMS
额定电流	1.5A/ Pin
接触电阻	20mΩ MAX，遵循EIA 364-23B标准
绝缘电阻	1000MΩ Min @500VDC，遵循EIA 364-21C标准
耐压强度	相邻端子间耐压：1000VAC 或 1500VDC RMS@0.5mA 50Hz or 60Hz； 端子与屏蔽壳耐压：2250V DC 60S； 遵循标准 IEC 60512, Test 4a, Method A；

外壳特性

表 3 外壳特性

外壳特性	描述
Color（外观颜色）	灰色/黑色
屏蔽外壳材质	黄铜，不锈钢，洋白铜，磷铜； 一般选用黄铜或不锈钢，不锈钢外壳引脚需提前预上锡，增加可焊性。
屏蔽外壳厚度	一般厚度强度及组装可靠性，选用0.2mm厚；如压接外壳，有压入及拔出强度要求，选用0.25mm厚。
弹片弹性	RJ外壳弹片要求搭接面板后可回弹，但因黄铜材质性能，一般弹高会做较大的高度，在搭接面板插拔5次后，与面板仍有可靠的搭接量。
Shield（屏蔽）弹片	根据产品EMC性能需求，选型：全屏蔽/半屏蔽/无屏蔽，金属外壳产品建议实现最大面积搭接，以提高产品搭接可靠性。

内壳特性

表 4 内壳特性

内壳特性	描述
材质	黑色波峰焊推荐PBT PA46；还有 LCP PA6T等； 成本优势从高到低排列：PBT PA46 LCP PA6T； 其它颜色推荐PBT PA66，PBT材质的塑壳在过波峰焊后，定位柱有轻微溶胶问题，PA46耐温性较高，无溶胶问题。
防火等级	防火等级UL94V-0，主要是塑胶原材料有UL黄卡的认证；
颜色	根据产品规格需求确定，颜色选型建议参考标准色卡。

LED 特性

表 5 LED特性

LED特性	描述
LED	根据产品需求规格选型。
LED灯罩类型	透光区：雾状（匀光），透明状（聚光）； 形状有半圆形，平头形，异形； 长度：短形/长形； 常规推荐短形，半圆形的雾状LED；以上成本单价有差异。
LED颜色	无/单灯单色/单灯双色/双灯单色/双灯双色（常用颜色:黄绿/黄） 根据产品规格需求确定。
工作电压	根据LED规格书，标称值进行选型及设计，常规工作电压：1.8V~2.6V。
工作电流	根据LED规格书，标称值进行选型及设计， 常规LED工作最大电流：20mA。
发光强度	TBD

PIN 特性

表 6 PIN针特性

PIN特性	描述
Pin针类型	扁针 圆针 扁针与圆针成型工艺，电镀工艺不同，电气连接性能无明显差别，主要评估多次插拔后PIN回弹还原度和连接可靠性。
Position & contact	P代表的是塑胶槽，C代表端子；所以8P与10P的差异是塑壳里的槽数量，端子8C是一致的；多于2P为预留的端子槽位。
Pin 针材质以及厚度	PIN针材质为磷铜；扁针厚度没有标准要求。
电镀规格	接触区膜厚不同，以及引脚的电镀亮锡，或雾锡； 区别亮锡比雾锡易产生锡须，雾锡易刮花；
gold-plating（镀金）厚度	镀金最大影响是成本，耐环境性能、插拔性能及高频性能；根据产品规格需求来定义及选型膜厚，如1u/3u/5u/10/15u等。

互连可靠性

表 7 互连可靠性

互连可靠性	描述
插拔要求	1000次以上
插入/拔出力	TBD
配合强度	TBD

封装特性

表 8 封装特性

封装特性	描述
Pin针透板长度	根据产品PCB设计板厚及生产工艺标准选型：1.6mm/2.0mm/2.5mm
塑料固定蘑菇头	根据产品PCB设计板厚及生产工艺标准选型：TBD
绝缘隔离层	上下层端口要求必须有绝缘层隔离，保障端口间安全电气隔离及减小端口间串扰（特别是1G以上速率端口）。
长*宽*高	根据产品需求规格选型:TBD

环境特性

表 9 环境特性

环境特性	描述
工作温度范围	-40℃~+85℃ 连接器表面可承受的工作温度。
存储温度范围	TBD
工作湿度范围	TBD

生产工艺特性

表 10工艺特性

生产工艺特性	描述
回流焊温度	/
波峰温度	物料要求： A）焊接最高温度为 265℃，物料最大承受温度应满足在 265℃ 3S 的焊接时间； B）元件引脚能承受 150℃/S 的热冲击,且能循环 2 次以上。 C）插件元器件的本体塑封（塑胶部分）必须在 60-90 秒内耐 120℃高温。 D）能保证在 227℃-265℃承受 8S 连续焊接时间，258℃-265℃ 3S 的焊接时间。 E）插装物料手工焊接保证烙铁设置温度在 390℃时，3 秒的焊接时间，烙铁头接触引脚与元件本体距离要求为 2～4MM 之间。

1.3典型应用电路

图 3  2*1 RJ45 2.5/5GBASE-T典型应用电路

2PORT 2.5/5GBASE-T RJ45典型应用电路，硬件设计说明：

• 2.5/5G BASE-T 端口设计选型，采用全屏蔽设计，连接与机壳实现三面弹片搭接。
• 2.5/5G BASE-T 接口信号定义遵循T568B wiring：Type4。
• LED控制电路，双色LED设计，LED信号设计预留对GND高频电容，并串接磁珠。
• 2.5GBASE-T 多速率PoE端口连接器选型PIN针镀金厚度30u。

 图 4  2*4 RJ45 1000BASE-T典型应用电路

8PORT 1000BASE-T RJ45典型应用电路，硬件设计说明：

• 1000 BASE-T 端口设计选型，采用全屏蔽设计，连接与机壳实现三面弹片搭接。
• 1000 BASE-T 接口信号定义遵循T568B wiring：Type4。
• LED控制电路，双色LED设计，LED信号设计预留对GND高频电容，并串接磁珠。
• 1000 BASE-T Non-PoE/PoE端口连接器选型PIN针镀金厚度15u。

图 5 2*8 RJ45 1000BASE-T典型应用电路

16PORT 1000BASE-T RJ45典型应用电路，硬件设计说明：

• 1000 BASE-T 端口设计选型，采用全屏蔽设计，连接与机壳实现三面弹片搭接。
• 1000 BASE-T 接口信号定义遵循T568B wiring：Type4。
• LED控制电路，双色LED设计，LED信号设计预留对GND高频电容，并串接磁珠。
• 1000 BASE-T Non-PoE/PoE端口连接器选型PIN针镀金厚度15u。

​​​​2​.网络隔离变压器（多端口）

2.1器件及原理介绍

网络隔离变压器是各类网通/数通产品在以太网端口设计实现上核心器件，是网通/数通产品最基础的功能也是最核心的功能之一，其品质、性能往往直接决定产品的品质和性能。针对网络隔离变压器品类多样、应用各异、品质不一、性能及成本也不尽相同（特别是多端口网络隔离变压器器）等常见选型困惑及相关疑问，本选型指导旨在为交换机硬件设计在多端口网络隔离变压器选型评估、测试验收、性能提升、品质加固及成本控制提供全面指导，以实现在最优成本条件下，产品硬件设计选型满足各种复杂的环境考验，提高产品的稳定性、可靠性等综合竞争力。

网络隔离变压器内部原理示图

图 6 G4P109NM-A LF网络隔离变压器内部原理

以G4P109NM-A LF 为例，介绍网络隔离变压器内部结构及工作原理。G4P109NM-A LF内部集成4组隔离变压器电路组成，最多可支持4个1000BASE-T端口设计，每个隔离变压器电路可独立工作。每个隔离变压器电路由4个隔离滤波电路组成，隔离滤波电路主要由共模滤波器和隔离变压器；隔离变压器，实现信号电平1：1隔离传输；滤波器，主要实现端口信号噪声过滤。

表 11 网络变压器

网络隔离 变压器	端口类形	Speed	PoE 标准	PIN	示图
Transformer	1x2	1000M	Non-PoE	48	/
		2.5G	AF/AT	48	/
		5G	AF/AT	48
	1x4	1000M	Non-PoE	72
		1000M	AF/AT	88
		1000M	AF/AT	96

2.2选型及关键参数

隔离网络变压器关键电气特性

表 12  电气特性

电气特性		描述
Turns Ratio	TX 1CT:1CT	TX和RX线圈匝数比， 一般要求±5%，根据不同产品应用可控制要求到±3%。
	RX 1CT:1CT
OCL (uH Min)	@100KHz/0.1V	开路电感，@100KHz/0.1V with 8mA DC Bias @ 25°C，在25°C条件下，测试频率100Khz，测试电压0.1V，8mA直流偏置，测试TX/RX的开路电感，测量所得值最小值不小于标称值。
L.L  (uH Max)		漏电感，@100KHz/0.1V 在25°C条件下，测试频率100Khz，测试电压0.1V，测量TX/RX的漏电感，测量所得最大值不大于标称值。
CW/W  (pF Max)		线间电容，@100KHz/0.1V 在25°C条件下，测量所得值最大不大于该标称值。
DCR   (Ω Max)		直流阻抗， 该指标可评估网络隔离变压器直流电阻大小。 在25°C条件下，测量所得值最大不大于该标称值。
HI-POT		隔离耐高压， 该指标可评估网络隔离变压器初和次级高压隔离能力。 在25°C条件下，使用高压测试仪测量TX/RX，测试电压为1500VAC,测试电流1mA，持续6S，测试后变压器性能良好，无击穿或电弧现象。
Insertion Loss  (dB Max)	1~100Mhz	插入损耗， 在25°C条件下，测试频率1~100Mhz，测量值最大不大于标称值。
Return Loss  (dB Min) @ Load 100Ω	1~30Mhz	回波损耗， 在25°C条件下，测试频率1~30Mhz，40Mhz，50Mhz，60~80Mhz，100Mhz，测量值最大不大于标称值。
	40Mhz
	50Mhz
	60~80Mhz
	100Mhz
Cross talk  (dB Min)	30Mhz	串扰， 在25°C条件下，测试频率30Mhz，60Mhz，100Mhz，测量值最大不大于标称值。
	60Mhz
	100Mhz
DCMR (dB Min)	30Mhz	共模抑制比， 在25°C条件下，测试频率30Mhz，60Mhz，100Mhz，测量值最大不大于标称值。
	60Mhz
	100Mhz

外壳特性

表 13 外壳特性

外壳特性	描述
外观颜色	黑色/其他
屏蔽外壳材质	TBD
屏蔽外壳厚度	TBD

封装特性

表 14封装特性

封装特性	描述
Pin针长度	根据PCB 板厚及生产工艺要求：1.6mm/2.0mm/2.5mm
长*宽*高	根据产品规格需求选型。

环境特性

表 15 环境特性

环境特性	描述
工作温度范围	0℃ ~ +70℃: -40℃ ~ +85℃:工作温度，表面可以承受的温度； -40℃ ~ +105℃：
工作湿度范围	TBD
存储温度范围	-25℃ ~ +85℃： -40℃ ~ +85℃：

生产工艺特性

表 16生产工艺特性

生产工艺特性	描述
回流焊温度	/
波峰温度

2.3典型应用电路

                               图 7 2PORT 2.5GBASE-T PoE 网络隔离变压器 典型应用电路

2PORT 2.5GBASE-T PoE 网络隔离变压器典型应用电路，硬件设计说明：

• 初级Bob-Smith电路设计，重点考量电容耐压、电阻功率、高压电容厂牌、防护电路采用压敏电阻选型，推荐FNR10K361BACN1NN。

• 网络变压器是电路中核心器件，在该电路设计中网络变压采用双共模滤波器架构设计，重点关注并解决电路100米高温长距、EMC、PoE供电。

• 次级MDI接口设计推荐串接Chip_R,THKF,2R2,J,1/10W,0603防硫化电阻设计，以提高MDI接口防护能力。

• 根据2.5G PHY MDI接口驱动模式，为网络隔离变压器中心抽头供电并提供滤波及节能以太网储能电路，重点关注供电DC-DC电源动态响应。

• PoE 设计遵循IEEE 802.3at-2009标准，并采用PSE pinout configuration： Alternative A (MDI-X) pairset（T568B wiring：Type4）。

图 8  4PORT 1000BASE-T Non-PoE 网络隔离变压器 典型应用电路

4PORT 1000BASE-T Non-PoE 网络隔离变压器典型应用电路，硬件设计说明：

• 初级Bob-Smith电路设计，重点考量电阻功率、高压电容厂牌、防护电路采用气体放电管，选型推荐BA401N-D(Bencent)。

• 网络变压器是电路中核心器件，在该电路设计中网络变压采用共模滤器朝端口架构设计，重点关注并解决电路100米高温长距、EMC。

• 次级MDI接口设计推荐串接Chip_R,THKF,2R2,J,1/10W,0603防硫化电阻设计，以提高MDI接口防护能力。

图 9  4PORT 1000BASE-T PoE 网络隔离变压器 典型应用电路

4PORT 1000BASE-T PoE 网络隔离变压器典型应用电路，硬件设计说明：

• 初级Bob-Smith电路设计，重点考量电容耐压、电阻功率、高压电容厂牌、防护电路采用压敏电阻选型，推荐FNR10K361BACN1NN。

• 网络变压器是电路中核心器件，在该电路设计中网络变压采用三线共模滤波器架构设计，重点关注并解决电路100米高温长距、EMC、PoE供电。

• 次级MDI接口设计推荐串接Chip_R,THKF,2R2,J,1/10W,0603防硫化电阻设计，以提高MDI接口防护能力。