乙太網硬體介面作為乙太網網路傳輸系統中物理層互連組件，在長期以來的硬體系統設計中已經逐步形成了一套標準的介面設計以及規範。乙太網變壓器作為其中的關鍵器件，也有其明確的指標定義要求，在系統板級設計中是和PHY驅動部分緊密相關的。一些不經意的使用上的改變，都有可能造成無法預計的後果。
一 乙太網變壓器功能及其使用設計
乙太網變壓器就其功能而言主要有以下三個：
- 實現無失真的乙太網信號傳輸；
- 滿足IEEE802.3的電氣隔離要求；
- 單板輻射發射的抑制。
早期的100Mbps&1000Mbps乙太網變壓器主要由Transformer，Autotransformer，CM Choke組成，如Figure 1所示。
Figure 1：早期的100Mbps&1000Mbps乙太網變壓器結構
變壓器的關鍵技術參數如Figure 2所示：
Figure 2：變壓器的關鍵技術參數
標準的設計根據乙太網PHY晶元的驅動類型，主要分為電流驅動型設計和電壓驅動型設計。電壓驅動型設計如Figure 3所示。
Figure 3: 電壓驅動型變壓器設計圖
Figure 4所示的是比較早期的網口標準設計，電壓驅動型所有驅動部分集成在晶元內部，網路變壓器的中心抽頭通過電容接地，提供共模雜訊的到地通路。發送方向上CM Choke和AutoTransformer是放在Wire side的， AutoTransformer的作用是對差模信號呈現高阻，對共模信號呈現低阻，這樣，一方面可以提供Cable pair（差分信號「線對」如圖中1，2和3，6）上共模信號到設備外殼地的低阻通路，另外可以實現Diff Pair（差分信號線對之間，如圖中1，2和3，6之間）間150歐姆的線對間匹配(也就是Bob Smith匹配)。
Figure 4：早期的網口標準設計
但是在實際的網路終端設備介面設計中，因為設備的外殼是浮地的，網口的高壓電容會連接到單板的信號地，這樣實際上會增強Cable側和PHY側的共模雜訊，是不推薦使用的。所以，在目前的設計中，AutoTransformer已經很少使用了，而是採用有著共模抑制能力更強性能的CM Choke以及更好平衡傳輸性能的網路變壓器，直接將CT從中心抽頭處引出。如Figure 5所示，而且為了支持Auto MDII-X功能,晶元內部的TX&RX可以切換，變壓器的TX&RX中心抽頭連接在了一起，可以同時連接直流驅動電壓。CM Choke統一放置在了Cable側，這就是我們目前常規使用的變壓器設計。
Figure 5：變壓器的TX&RX中心抽頭連接在了一起
電流驅動型因為晶元的發送單元採用電流驅動設計，所以需要外部有一個直流電壓驅動信號，這個電壓設計中一般都採用從網路變壓器的Center Tap輸入，這樣做的另一個好處就是可以通過連接低一級的電壓實現Power Saving的功能，如Figure 6所示：
Figure 6：電流驅動型變壓器設計圖
二 網路變壓器反轉使用問題分析
通過以上介紹，我們已經了解了目前常規的乙太網網路變壓器的內部結構以及CM Choke的位置。具體到這個案例中的產品網口設計如Figure 7所示：
Figure 7：本案例的產品網口設計
通過設計我們可以了解到，變壓器中心抽頭接V2.5，晶元為電流驅動型。產品在RE整改驗證中因為單板125Mhz及其倍頻能量從網口輻射出來導致測試Fail。工程師在現場採用了將網路變壓器反轉的方案，發現CM Choke在晶元側可以有效的抑制125Mhz及其倍頻輻射，而且不影響使用。就確定了這個方案，反轉後如Figure 8所示。
Figure 8：將網路變壓器反轉的方案示意圖
但是在隨後的批量驗證中卻發現，網路變壓器反轉後出現了不同網卡的兼容性以及長距離連接問題，自適應條件下無法連接，但網卡強製為100M&10M條件下可以連接，而且即使連接上的網卡Ping包也會出現問題。看來，變壓器的反轉影響到了乙太網信號了。需要對變壓器的關鍵技術參數以及實際輸出的乙太網信號進行分析確認。變壓器廠家反饋變壓器反轉後測試的關鍵技術參數沒有差異。只有從實際的信號分析展開了。
首先，我們通過示波器進行了自適應情況下問題產品發送FLP信號的波形測試(自適應即自協商，互連埠通過FLP信號交互和應答雙方的支持能力信息並建立穩定的物理層連接，詳見參考資料《通過百兆乙太網誘導發包測試機制深入研究乙太網自協商原理》，測試樣機上電啟動，網口工作在自適應狀態下，測試發現FLP信號果然出現了問題。
Figure 9：變壓器反轉情況下PHY輸出的FLP數據
我們可以看到，這種情況下FLP會出現0101000000010111的異常碼字，而變壓器不反轉情況下的FLP碼字為 1000011110000001才是正常的鏈路碼字。
Figure 10：變壓器正常使用時的FLP數據
在將信號波形展開進行具體分析後，發現變壓器反轉使用條件下的FLP信號波形已經發生了畸變。
Figure 11：發生畸變的FLP信號波形
正常變壓器使用條件下FLP信號在變壓器兩側是信號對應，並且幅值大小是滿足變壓器的插損的。
Figure 12：正常使用下的FLP信號波形
到底是什麼原因導致變壓器反轉使用條件下FLP信號發生了如此大的變化導致系統工作的異常？ 這需要對變壓器反轉前後乙太網的信號模型進行進一步的分析。目前晶元的PHY Transceiver採用電流驅動單元，要求變壓器中心抽頭接一個直流電壓驅動發送信號。電流驅動單元比較複雜，可採用一個簡化的CML模型（僅提供參考，無法完全對應一致的內部驅動結構）來模擬內部驅動部分如Figure 13所示。
Figure 13：採用CML模型模擬內部驅動
可以看到，電流驅動設計採用變壓器中心的VDD25直流電壓驅動，在信號驅動條件下，因為2-line CM Choke對於Vout+ Current和Vout- Current驅動電流產生了很大的共模阻抗，影響了信號電流變化，直接導致了信號的畸變，同步測試的電流和電壓波形也說明了這個問題。
Figure 14：同步測試的電流和電壓波形
脈衝驅動電流的大小已經被限制在了10mA以下，而變壓器不反轉情況下脈衝驅動電流應該在30mA左右，正常信號電流波形如Figure 15所示。
Figure 15：正常的信號電流波形
問題到了這裡，已經基本分析確認清楚，要解決這個問題，必須解決CM Choke對於信號電流的影響，變壓器原廠提出了基於目前2-line CM choke的問題，採用3-line CM Choke的解決方法：通過將中心抽頭的輸入也同步繞制在CM Choke上，以抵消CM Choke對於信號電流的影響。具體信號模型如Figure 16所示。
Figure 16：採用3-line CM Choke的解決方法
通過實際的樣品驗證，可以看到信號波形和電流正常，可以解決目前的問題。
Figure 17：信號波形和電流正常
經過以上分析，變壓器反轉DUT在自適應情況下的異常原因已經清楚了，那麼為什麼將互連PC的網卡強製為100M或者10M就可以連接上呢？這可以從乙太網的物理層互連機制中的並行檢測得到答案。
為了保證在對端不能支持自協商的情況下也能連接，引入了被稱為並行檢測（Parallel Detection）的機制。在一端打開自協商，另一端關閉自協商的情況下，連接的建立就依靠並行檢測功能實現。並行檢測機制的含義是：在具有自協商能力的設備埠上，如果接收不到FLP，則檢測是否有10M鏈路的特徵信號或100M鏈路的特徵信號。
如果設備是10M設備，不支持自協商，則在鏈路上發送普通連接脈衝（Normal Link Pulse）簡稱NLP。NLP僅僅表示設備在位，不包含其它的額外信息。NLP脈衝如Figure 18所示。
Figure 18：NLP脈衝
如果100M設備不支持自協商，則在沒有數據的情況下，在鏈路上一直發送4B/5B編碼的Idle符號。
並行檢測機制如果檢測到NLP，則知道對方支持10M速率；如果檢測到4B/5B編碼的Idle符號，則知道對方支持100M速率。但是對方是否支持全雙工、是否支持流控幀這些信息是無法得到的。因此在這種情況下，認為對方只支持半雙工，不支持全雙工，且不支持流控幀。
基於以上原理，在對端不打開自協商時，打開自協商的一方只能協商成半雙工模式。
802.3協議規定，通過並行檢測建立連接後，PHY的狀態寄存器（PHY標準寄存器地址1）的自協商完成bit（bit5）依然要置位成1，儘管鏈路上並非使用了真正的自協商操作。同時規定在自協商完成bit為1的情況下，本地自協商能力寄存器（PHY標準寄存器地址4）和對端自協商能力寄存器（PHY標準寄存器地址5）是有意義的。所以，要把寄存器5中的數據更新。如果建立的連接為10M，則寄存器5的10M能力bit（bit5）置1，其它bit置0，表示對端只能支持10M半雙工；如果建立的連接為100M，則寄存器5的100M能力bit（bit7）置1，其它bit置0，表示對端只能支持100M半雙工。
所以，當互連的PC網卡強製為10Mbps或100Mbps模式時，會發送對應的鏈路特徵碼，DUT會根據這些鏈路特徵碼進行識別，並設定自身工作在同速率的半雙工模式，而不是通過自適應條件下的FLP交互應答來進行確認了。
三 問題分析結論及建議
綜合以上，我們可以有如下結論：
- 變壓器反轉使用在基於電流驅動型設計時 ，需要確保CM Choke on PHY side採用3-line CMC設計而不是2-line CMC，以規避CMC對於信號電流的影響。
- CM Choke on PHY side的設計從其原理以及共模抑制效果來看，都是好於CM Choke on Wire side的，CM Choke on Wire side最初的設計是針對設備外殼接地的使用條件，基於目前的網路終端產品設計實際上有很多的弊端。器件和晶元原廠都比較推薦CM Choke on Phy side設計。建議可以直接在標準設計中就採用CM Choke on Phy side。
