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の主流イーサネットはパソコンとともに発展 の主流として世界中で採用されているイーサネット (Ethernet) は 980 年代初頭に米国で開発されました もともとは企業や研究所などのワークステーションを結ぶためのものでしたが パソコンの開発と普及によって は多数のパソコンを結ぶネットワークシステム

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Academic year: 2021

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パソコンなどの IT 機器はもちろん、近年はデジタルテレビをはじめとする AV 機器などにも LAN 端子が標準装備さ れるようになりました。パルストランスは LAN インタフェース部に搭載されるキーパーツ。パルス信号を高速伝送 するとともに、入出力間の絶縁などの機能をもちます。TDK では SMD( 表面実装部品 ) 型コモンモードフィルタな どで培った技術を応用展開、自動巻線工法による SMD パルストランスを新開発しました。従来の手動巻線では不可 避だった特性のバラツキなどの問題も解消、同等性能の従来品とくらべて実装面積も大幅削減する LAN 用パルスト ランスの新基軸です。

LAN 用パルストランスの新基軸

Ethernet 用 SMD 型パルストランス

ALT

シリーズ

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 LAN の主流として世界中で採用されているイーサ ネット (Ethernet) は、1980 年代初頭に米国で開発さ れました。もともとは企業や研究所などのワークステー ションを結ぶためのものでしたが、パソコンの開発と普 及によって、LAN は多数のパソコンを結ぶネットワー クシステムとして発展し、市場も急成長を遂げました。 独立した LAN どうしを相互接続した広域ネットワーク を WAN といい、家庭内のパソコンや AV 機器を結んだ システムは、ホームネットワークとか家庭内 LAN と呼 ばれます。電波を利用する無線 LAN とちがって、イー サネットはケーブル接続となりますが、高速で高信頼性 のデータ転送がイーサネットの特長です。  イーサネットは転送速度や接続ケーブルなどの違いに より、さまざまな規格が規定されています。たとえば 100BASE-T や 1000BASE-T の100 や1000 は、 転送速度が 100Mbps、1000Mbps(1Gbps) である ことを表し、T は接続ケーブルがツイストペアケーブル であることを表します。

LAN の主流イーサネットはパソコンとともに発展

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□LANおよびWANの概念図 □イーサネット(有線LAN)と無線LANの進化 イーサネット イーサネット 《家庭》 LAN LAN WAN(広域ネットワーク) LAN LAN LAN LAN インターネットなど 専用線 《オフィス》 《工場/研究所》 転送速度 10G 1G 100M 10M 1980 1990 2000 2010 2020年~ (bps) 10G BASE-Tの普及 1000 BASE-Tの普及 100 BASE-TXの普及 10 BASE-Tの普及 IEEE 802.11ac (最大6.9G Mbps) IEEE 802.11n (最大600 Mbps) IEEE 802.11a/g (最大54 Mbps) IEEE 802.11b (最大11 Mbps) IEEE 802.11ad (最大6.8G Mbps)

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 LAN 端子をもつ電子機器は、内部に LAN アダプタ を搭載しているので、LAN ケーブルで接続するだけで、 簡単にネットワークが構築できます。パソコンに LAN アダプタが標準装備される以前は、PC カードスロット に挿入するカードタイプの LAN アダプタなどが使用さ れていました。LANアダプタがパソコンに標準装備さ れるようになったのは、ブロードバンドによるインター ネット接続が普及するようになってからのことです。  LAN 端子は電話回線用よりもやや大きめのモジュラ ジャックとなっていて、これを RJ45 コネクタといい ます。RJ45 コネクタは LAN アダプタ内部でコモン モードチョークを経由してパルストランスそしてトラ ンシーバ IC に接続されています。RJ45 コネクタ、 コモンモードチョーク、パルストランスをコンパクトな 小型モジュールとして一体化したものは LAN コネクタ モジュールなどと呼ばれます。  パルストランスというのは、パルス波形の信号の伝送 を目的として設計されたトランスです。電源トランス のように電力の伝送が目的ではないので、コネクタモ ジュールに内蔵できるほど小型化が可能なのです。

パルストランスは LAN インタフェース部のキーパーツ

□家庭内LANとインタフェース部の部品 ■ コモンモードチョーク ■ LANコネクタモジュール ■ パルストランス ■■■TV ■■■DVDレコーダ ホームゲートウェイ ■■■ イーサネット 監視カメラ ■■■ 多機能プリンタ ■■■ アクセスポイント ■■■ ■■■IPフォン ■■■PC

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 パルストランスはトロイダルコア ( リング状コア ) に 1 次側および 2 次側の巻線をほどこしたシンプルな構造 のトランスです。しかし、原理や構造は簡単ながら、設 計やコア材質の選定、巻線のほどこし方、そして安定し た品質を確保するのがきわめて難しい電子部品です。  トロイダルコアを用いるのは、ギャップをもつコア形 状とくらべて、漏れ磁束 ( リーケージフラックス ) を低 く抑えられ、高特性化が図れるからです。このため、従 来、パルストランスというのはトロイダルコアを前提し て設計されてきましたが、トロイダルという形状の制約 により自動巻線工法の導入が困難で、手動巻線に頼らざ るを得ませんでした。しかし、手動巻線では、特性のバ ラツキが生じるのは不可避で、また品質の安定化と量産 化の支障にもなっていました。  パソコンはもとより、デジタルテレビなどの AV 機器 への LAN 端子の標準装備が進むにつれ、LAN 用パル ストランスの安定供給が市場から強く求められるように なりました。しかし、トロイダルコアという形状を前提 とするなら、巻線の自動化は困難で、こうした市場ニー ズは応えられません。  この問題をまるで “ コロンブスの卵 ” のような着想で クリアしたのが、自動巻線工法による TDK の SMD 型 パルストランス ALT シリーズです。  ヒントとなったのは、ノイズ対策部品として多用さ れている SMD 型コモンモードフィルタです。コモン モードフィルタはパルストランスと同じように、基本的 にトロイダルコアに 2 本の巻線をほどこした製品です。 TDK では量産化に対応するため、ドラムコアに自動巻 線してから平板状のプレートコアを合体させるコア構造 の製法をいちはやく確立しました。この SMD 型コモン モードフィルタのコア構造と自動巻線工法は、ほぼその ままパルストランスにも応用展開することが可能だった のです。こうして SMD 型パルストランスが誕生するこ とになりました。

トロイダルコアに手動巻線をほどこす従来工法

“コロンブスの卵”のような着想から採用された新工法

巻線から生まれる磁束はコア内部を還流するが、コアギャップを設け ると、そこから漏れ磁束(リーケージフラックス)が発生して、1次側と 2次側の結合度が悪くなる。 ●ドラムコアに自動 巻線してからプレー トコアを接着する。 ●磁束は2つのコア 内部を還流するの で、トロイダルコア と同等となる。 コアギャップからの 漏れ磁束 巻線 プレートコア 巻線 継線 角形 ドラムコア 端子 電極 角形 ドラムコア プレートコア 磁束 巻線 継線 端子 電極 角形 ドラムコア 巻線 プレートコア 《トロイダルコア》 コモンモードフィルタの構造 SMD型パルストランスの構造 《従来型パルストランス》 □トロイダルコアを用いた従来型パルストランス □コアギャップと漏れ磁束(リーケージフラックス) □新コア構造のパルストランス 巻線から生まれる磁束はコア内部を還流するが、コアギャップを設け ると、そこから漏れ磁束(リーケージフラックス)が発生して、1次側と 2次側の結合度が悪くなる。 ●ドラムコアに自動 巻線してからプレー トコアを接着する。 ●磁束は2つのコア 内部を還流するの で、トロイダルコア と同等となる。 コアギャップからの 漏れ磁束 巻線 プレートコア 巻線 継線 角形 ドラムコア 端子 電極 角形 ドラムコア プレートコア 磁束 巻線 継線 端子 電極 角形 ドラムコア 巻線 プレートコア 《トロイダルコア》 コモンモードフィルタの構造 SMD型パルストランスの構造 《従来型パルストランス》 □トロイダルコアを用いた従来型パルストランス □コアギャップと漏れ磁束(リーケージフラックス) □新コア構造のパルストランス

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 トランスの1次巻線と 2 次巻線との結合の度合を結合 係数 (k) といいます。理想的なトランスではk= 1 とな りますが、現実には漏れ磁束などの発生により、1 より 小さくなります。  結合係数をいかにして 1 に近づけるかがトランスの 設計のポイントです。前述したようにコアギャップは漏 れ磁束を発生させ、これがリーケージインダクタンスと なってトランスの性能を低下させます。自動巻線工法に 対応した新形状コアの採用にあたり、TDK ではドラム コアとプレートコアとの接合面のギャップを従来の半分 以下にし、漏れ磁束の低減を図りました。  巻線構造も結合係数の低下に関係してきます。トラン スの巻線には寄生容量という回路図には現れないコンデ ンサ成分が存在するからです。巻線は電気的に絶縁され ていますが、巻線間の電位差によって、隣接する巻線ど うしはコンデンサの電極板のように作用します。これは 巻線間容量と呼ばれる寄生容量です。また、1 次巻線と 2 次巻線の間にも巻線分布容量という寄生容量が存在し ます。これらの寄生容量を少なくしようとすると、リー ケージインダクタンスが大きくなるというトレードオフ の関係があり、巻線構造には高度な技術とノウハウが求 められるのです。  パルス波形はきわめて広い周波数帯域をもつため、コ アの材質によってはパルス波形の歪みが大きくなり、信 号品質が劣化します。  たとえばイーサネットの 100BASE-T 用のパルスト ランスでは、8mA の直流バイアス電流を印加した状態 で、350 μ H 以上のインダクタンス値が求められます。 このため直流バイアス磁界が印加されても、磁化曲線の 直線部が利用できるような直流重畳特性にすぐれたフェ ライト材が求められます ( 湾曲部に近づくほど波形歪み が大きくなる )。つまり、透磁率と飽和磁束密度がとも に高く、また、この特性を一般的な LAN 環境の温度範 囲で満足させるフェライト材が必要になります。  TDK では蓄積したフェライト技術を深化させ、材料 組成や微細構造の見直しにより、パルストランス向けの フェライト材を開発。ALT シリーズにおいては、次世 代高速 LAN の技術要求にも対応できる最適材質を採用 しました。

高度な技術とノウハウが求められる巻線構造

パルストランスに最適なフェライトコアの採用

1 次巻線と 2 次巻 線の結合の度合を 結合係数 (K) とい う。理想的なトラン スでは、結合係数 k=1となる。 現実のトランスで は、漏れ磁束や巻 線どうしがコンデン サのように作用す る寄生容量などに より、結合係数 は 1より小さくなる。 磁化曲線の直線部を利 用できるフェライトを選 択する。 このようなフェライトで は磁化曲線の湾曲部を 利用することになり、波形 歪みが大きくなる。 《波形歪み》 オーバーシュート、 アンダーシュート、 リンギングなど LAN用パルストランスでは直流バイアス磁界が印加される。高透 磁率・高磁束密度のフェライトコアほど、直流重畳特性にすぐれる。 信号源 信号源 巻線分布容量 入力波形 出力波形 1次 巻線 コア 巻線間容量 2次 巻線 負荷 負荷 □フェライトコアの磁化曲線と直流重畳特性 □パルス波形の歪みの原因 □トランスの巻線による寄生容量 1 次巻線と 2 次巻線の結合の度合を 結合係数 (K) とい う。理想的なトラン スでは、結合係数 k=1となる。 現実のトランスで は、漏れ磁束や巻 線どうしがコンデン サのように作用す る寄生容量などに より、結合係数 は 1より小さくなる。 磁化曲線の直線部を利 用できるフェライトを選 択する。 このようなフェライトで は磁化曲線の湾曲部を 利用することになり、波形 歪みが大きくなる。 《波形歪み》 オーバーシュート、 アンダーシュート、 リンギングなど LAN用パルストランスでは直流バイアス磁界が印加される。高透 磁率・高磁束密度のフェライトコアほど、直流重畳特性にすぐれる。 コア材質の選択、巻線構造の設計が不適切な場合、矩形状のパル 信号源 信号源 巻線分布容量 入力波形 出力波形 1次 巻線 コア 巻線間容量 2次 巻線 負荷 負荷 □フェライトコアの磁化曲線と直流重畳特性 □パルス波形の歪みの原因 □トランスの巻線による寄生容量

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 LAN 用パルストランスに求められる高信頼性の特性 を至難とされた自動化工程によって小型 SMD タイプの 製品として実現したのが ALT シリーズ。右のアイパター ンで示されるように、小型化 SMD 化を実現しながら、 従来品と同等のシグナルインテグリティを達成していま す。  パルストランス ALT シリーズにおいては、自動巻線 工法ととともに、端子電極とワイヤの接合に、自動化に よる熱圧着工法を採用していることも大きな特長となっ ています。従来は手動のワイヤ処理やはんだ処理が必要 だった工程は、自動化による熱圧着工法の採用により、 品質の安定性を著しく向上させることに成功しました。  また、従来製品は電気的検査からテーピングまでを バッチ工程で半自動で行っていたのに対し、ALT シリー ズでは連続工程として自動化を実現しました。  LAN 用パルストランスは、一般にコモンモードチョー クなどとともに搭載されてモジュール化されます。こう した LAN モジュールにおいては、従来、パルストラン スは搭載時に手動で複雑な配線処理をして、その後に手 はんだ処理および樹脂による部品固定という作業が必要 でした。ALT シリーズは SMD タイプとして製品化し ているため、リフロー時に他の部品と一括して基板搭載 でき、工数の大幅削減をもたらします。  また、小型化による省スペースも大きなメリットです。 差動伝送方式におけるノイズ除去用と併用した場合にお いても、実装面積で約 40 ~ 60%も削減できます ( 単 品での基板実装の際に、当社のコモンモードフィルタ ACM シリーズと組み合わせた場合 )。  さらに ALT シリーズは TDK が推進する環境配慮型 製品であり、従来製品と同様に、鉛および鉛化合物はいっ さい含まれておらず、鉛フリーはんだにも対応した完全 鉛フリー製品です。また、最終製品からハロゲン系物質 を排除するユーザー企業の取り組みに対応し、ALT シ リーズはハロゲンフリーも達成しています。

従来品と同等の高特性を自動化工程で実現

実装面積の軽減による大幅な省スペース化

従来の手動による複雑な継線処理 を、熱圧着法を採用して自動化。 ALTシリーズ 熱圧着法による継線処理 従来品と同等のシグナルインテグリティを確保 従来のトロイダル製品 □イーサネットでのアイパターン評価事例 □熱圧着法による継線処理 □実装面積の比較(100BASE-TXの例) パルストランス(内蔵×2) コモンモードチョーク(内蔵×2) SMDパルストランス ALT4532M-201-T001(x2) コモンモードフィルタACM2012(×2) 約40% 削減 従来の手動による複雑な継線処理 を、熱圧着法を採用して自動化。 ALTシリーズ 熱圧着法による継線処理 従来品と同等のシグナルインテグリティを確保 従来のトロイダル製品 □イーサネットでのアイパターン評価事例 □熱圧着法による継線処理 □実装面積の比較(100BASE-TXの例) パルストランス(内蔵×2) コモンモードチョーク(内蔵×2) SMDパルストランス ALT4532M-201-T001(x2) コモンモードフィルタACM2012(×2) 約40% 削減

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 無線 LAN の普及も進んでいますが、高速転送と電波 干渉などの影響を受けない安定性は有線 LAN ならでは の強み。キーパーツである LAN 用パルストランスにも、 次世代イーサネットに対応した特性が求められています。  サーバやルータなどでは、さらなる高速対応・高信頼性、 ノートパソコンやデジタルテレビ、HDD レコーダ、ゲー ム機などではさらなる小型・低背化、また FA 分野では 広温度範囲でのさらなる特性向上が要求されています。  ホームユースから産業分野まで、さまざまな用途にも 対応するハイスペックを業界初の自動巻線工法によって 小型 SMD 部品として実現したのが ALT シリーズ。素 材技術、プロセス技術、評価シミュレーション技術とい う蓄積コアテクノロジーを結集し、TDK は有線、無線 が融合した次世代高速ネットワーク社会に向けて、多用 なニーズに応えた先進の LAN 関連製品を提供してまい ります。

有線・無線が融合した次世代高速 LAN に向けて

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ALT3232M 形状と寸法 形状と寸法 推奨ランドパターン 回路図 推奨ランドパターン 回路図 ALT4532M Dimensions in mm 3 2 1 4 5 6 3 2 1 4 5 6 0.9 0.9 1.35 0.65 0.7 0.41 0.41 0.41 0.85 3.2±0.25 2.9max. 3.2±0.25 1 2 3 6 5 4 3.2±0.2 T 4.5±0.2 1 2 3 6 5 4 T 2.2max. 2.9max. 1.39 1.39 1.35 0.65 0.70 0.41 0.41 0.5 1.0

□ 主な特長

□ 形状・寸法/ 回路図

自動巻線工法に対応したSMDタイプで、ユーザーニーズに合わせた製品形態が可能

自動搭載、リフローはんだ付け対応、ハロゲンフリー対応

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□ 主な用途

□ 主な仕様

デジタル家電やセットトップボックス、PC など LAN インターフェース装備の民生・

産業機器

品番 ALT3232M-151-T001  ALT4532M-171-T001  ALT4532M-201-T001 インダクタンス*¹   150uH Min.       170uH Min.       200uH Min. 挿入損失*²   2.5dB Max.        2.5dB Max.        1.5dB Max. 線間容量   25pF Max.      35pF Max.

使用温度範囲       -40 to 85℃

形状   3.2x3.2mm  4.5x3.2mm

高さ   2.9mm Max.       2.2mm Max.       2.9mm Max. *1 DC Bias 8mA , 100kHz*2 0.1 to 100MHz

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参照

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