为您的ICM选择合适的磁性元件

ICM的磁性设计注意事项

为 LAN 设备选择合适的磁性模块是确保信号完整性和满足 IEEE 802.3 和 EMC 合规性的重要一步。在产品设计的早期阶段处理潜在的EMI问题是一个明智的举措，可以让LAN设计人员充满信心，并能够控制产品发布，而不会因EMI故障而延迟或重新设计。

介绍

EMI噪声通常分为发射噪声或敏感性噪声。LAN磁性元件中有助于降低系统噪声对内部和外部EMI的参数是差模（DM）或共模（CM）转换。CM电流噪声可以通过信号线传播为CM噪声或DM噪声。根据系统的CM噪声频率，Bel ICM产品可以针对这些频率，将CM噪声抑制到可接受的水平。由于阻抗越高，CM噪声越低。Bel 工程师可以查看合规性实验室的初步 EMI 图、静电放电 （ESD） 信息、辐射抗扰度或传导抗扰度报告，以确定合适的磁性模块，以修复系统性能不佳的问题，这些性能通常由布局问题、屏蔽或系统设计引起，以通过 EMC 合规性。即使采用良好的布局实践，如果设计人员选择低质量的组件，系统也可能不符合EMC要求。对于LAN系统设计人员来说，最重要的决策是选择合适的具有适当性能和良好EMI抑制的LAN磁性元件，以便在设计周期中尽早解决EMC问题。如果系统设计人员为其LAN设备选择了错误的磁性模块，EMI问题可能会出现在设计周期的后期，这可能会导致代价高昂的产品重新设计和产品发布推迟或延迟。

局域网电磁兼容要求

低成本设计的影响，包括更少的元件数量和更高的物理层（PHY）收发器灵敏度，导致系统更容易受到EMI的影响，并且无法满足EMC的合规性法规。当传输速度为10 Gbps时，差分对中的少量偏斜将导致差分对之间的上升和下降时间、幅度和传播延迟不匹配，这是差分信号线上CM噪声转换的来源。这会导致系统不符合EMC要求。磁性ICM的内部结构必须设计良好，从内部PCB布局，内部屏蔽和环形线圈基础结构到绕组和端接。差分对需要保持良好的平衡，以确保低CM转换以及对外部和内部噪声源的高抗扰度。

EMC 有两个每个 LAN 系统都需要满足的主要要求：辐射和敏感性。发射是指电子设备在不干扰其他系统的情况下运行的能力;敏感性是指电子设备在指定的电磁环境中继续正常运行的能力。对于发射要求（辐射发射或传导发射）在投放市场之前，LAN设备必须通过联邦通信委员会（FCC）企业级设备的A类认证或住宅电子设备的FCC B类认证。敏感性与发射相反。它是指产品在暴露于电磁现象时的功能。常见的敏感性形式是ESD、电缆放电事件、辐射抗扰度、传导抗扰度以及电快速瞬变/突发和浪涌。

ESD是衡量系统敏感性的主要测试。当设备的机箱暴露于ESD模拟器（“ESD枪”）的高能放电中，以测试LAN系统的抗扰度，直接接触+/– 8kV和空气放电+/– 15kV或其他测试水平，根据要求，高能量可能会耦合到信号线中，并导致设备的数据链路断开并且无法恢复， 这可能导致产品不符合 ESD 要求。在严重事件中，特别是对于高速、高灵敏度的下一代 PHY 几何形状，向 PHY 释放高能量可能会变得具有破坏性，从而导致系统暂时或永久性损坏。通过内部连接器的精心结构设计，Bel 磁性 ICM 的布局使得高能量将具有最短的接地路径，这意味着最少的高能量将能够耦合到信号线中。如果高共模能量耦合到线路中，Bel ICM设计会将高能量降低到PHY可以处理的可持续水平，而不会损坏任何数据，从而为系统提供高抗扰度并允许其维持ESD事件。

LAN设备不受辐射和传导发射影响的能力也很重要，因为LAN设备在现场会遇到不同类型的EMI干扰。辐射抗扰度和传导抗扰度测试旨在测量电气设备在应力条件下的性能。根据要求，典型测试电平可以是 3V/m 或 10V/m，从 150 kHz 到 80 MHz 的传导抗扰度，以及 80MHz 到 2.7GHz 的辐射抗扰度。Bel 磁性 ICM 可以有效地最大限度地减少通常从电缆或 PCB 走线拾取的辐射电场的影响。检查系统抗扰度的其他测试是电气快速瞬变（EFT）和浪涌测试。EFT 抗干扰测试旨在测量 LAN 设备在干扰条件下由于可能耦合到电缆中的电感负载切换而导致的正常运行情况。浪涌抗扰度旨在检查 LAN 设备处理电涌的能力。现实世界中有许多类型的浪涌可能会损坏 LAN 设备。Bel 磁性 ICM 内部结构旨在减少可能损坏系统的故障。

局域网磁性ICM

磁性模块是LAN系统中的关键组件。它旨在满足信号完整性要求，并最大限度地减少不良EMI进入系统，这会导致系统不符合EMC要求，尤其是第五次谐波以十分之一千兆赫兹运行的高速系统。因此，选择合适的磁性制造商和经验丰富的工程师来帮助系统通过EMC法规是LAN系统设计人员的重大决定。并非所有的 LAN 磁性元件都相同;使用不合格的磁性元件可能会导致问题，例如不符合EMC要求，延迟向市场发布新产品的时间以及更高的成本。采用良好设计技术的合格Bel磁性ICM将限制进入系统的CM噪声量，因此可以满足EMC合规性要求。

Bel 磁性 ICM 远比看起来复杂得多，只有技术上称职的 LAN 磁性设计人员才能理解信号完整性和 EMC 之间的设计权衡。他们能够帮助LAN系统设计人员选择合适的磁性ICM，以满足信号完整性和EMC要求。典型的 LAN 磁性 ICM 包括一个隔离变压器，以确保 LAN 设备满足 IEEE 802.3 标准中定义的隔离要求。除隔离变压器外，LAN磁性ICM还具有与变压器串联的共模扼流圈（CMC），用于衰减CM信号，但允许所需的差分信号通过。它还可能包含端接电阻器、去耦电容器、用于支持 POE 的系统 POE CMC 或用于降低线路上 CM 噪声的 CM 检测通道。总体而言，LAN 磁性 ICM 提供阻抗匹配、信号整形和调理、高压隔离和 CM 降噪功能。以太网使用 UTP（非屏蔽双绞线）电缆进行数据传输，使其面临辐射发射问题。没有接地屏蔽意味着电缆将辐射，除非差分信号是对称的并且具有低水平的共模噪声。泄漏的共模噪声将显示在信号线上，从而产生EMI问题。

隔离变压器

凭借适当的内部印刷电路板 （PCB） 设计和适当的磁性设计来处理共模转换、通道间串扰和外来串扰，Bel 磁性 ICM 将成为保护系统免受 CM 瞬变影响的主要防御器，并提供低阻抗接地路径，以将来自 ESD 或 CDE 的高能量从信号路径转移开， 防止其耦合到管路中并损坏 PHY。使用内部设计不良的不合格磁性元件会加剧问题并导致系统故障。

隔离变压器用于LAN磁性模块中，在LAN设备的输入和输出之间提供电压隔离，实现电压或电流的转换，并抑制CM干扰的影响。理想的变压器只会传输差分电流并阻止所有CM电流。但是，实用的变压器将具有耦合初级和次级绕组的小电容。这种小电容为无意中的CM电流通过变压器传输提供了低阻抗路径，它可以产生与其他电路的静电耦合，从而影响通道的EMI性能。

变压器是确定IEEE 802.3规范要求的LAN模拟接口特性的一个非常重要的元素。变压器和相关输入和输出电路设计的考虑因素是控制信号的上升和下降时间，保持波形完整性和低频下降百分比，以及设计低绕组间电容以实现最佳CM抑制。优化变压器漏感和绕组间电容也用于控制所需频率下的频率带宽和高或低抑制。下面的图1是ICM模块的典型原理图。

图1.ICM模块的典型原理图

共模扼流圈

Bel ICM的另一个关键组件是LAN电路每个通道中的公共扼流圈。在高频下，CM扼流圈是系统满足EMC要求所必需的。CM扼流圈对CM噪声分量显示高阻抗，但对DM噪声分量显示低阻抗。影响LAN设备发射和抗扰度的最重要因素是CM和CM噪声。使用 UTP 电缆进行 LAN，每根电线与干扰源的平均距离相同。这导致干扰主要是CM，只有少量残留量作为CM干扰。CM电流的大小相等，但方向相同。这些电流不是故意的，但它们将存在于实际系统中。

如果CMC的绕组是对称的，并且所有磁通都保留在磁芯中，则CM电流看到的阻抗将为零，而CM电流看到的阻抗将为高值。因此，CMC可以有效地阻止不需要的CM噪声，但允许所需的差分信号通过。为了提供CM噪声的阻抗，导线必须缠绕在磁芯周围，使得两个CM电流产生的磁通量在磁芯中增加，而两个DM电流产生的磁通量在磁芯中减去。绕组的输入和输出位置应使其之间的杂散电容最小;否则，杂散电容会降低CMC阻断CMC噪声的有效性。

以下是不同CMC材料的典型阻抗曲线（图2）。CMC 的阻抗由磁芯材料、尺寸和匝数决定。通常，局域网磁性ICM中的CMC是使用铁氧体材料。由氧化铁和一种或多种额外的粉末金属元素（如镍、锌或镁）组成的铁氧体可以通过抑制电子运动来减少施加的 EMI 场;这些铁氧体可有效抑制传导和辐射发射。最高的初始磁导率材料，如锰锌铁氧体，能够提供高阻抗，但其磁导率在更高的频率下比镍锌更快地恶化。因此，根据目标频率，需要正确选择磁芯材料、尺寸和匝数以抑制CM噪声。

图2.不同材料的CMC阻抗

阻抗越高，该频率下的CM性能越好。但是，CMC阻抗在特定频率下将最大化，而在其他频率下将降低。此外，由于磁芯饱和，CMC阻抗在较高频率下会降低，因此匝数和磁芯材料选择在CMC设计中非常重要。CMC的CM抑制如图3所示，整个模块磁性ICM的CM到DM转换如图4所示。

图3.在750次无负载循环后LLCR的变化。

图4.磁性ICM的典型共模至差分

物理层收发器架构

以太网 PHY 收发器有两种主要架构设计。此类收发器要么是电压模式线路驱动器，要么是电流模式线路驱动器PHY，因此EMI问题与电流或电压有关。通常，电流模式 PHY 相关问题与差模相关，电压模式 PHY 问题与共模相关。因此，电压模式驱动或电流模式驱动PHY的磁性元件设计是不同的。对于电流模式线路驱动器 PHY，电流驱动器从电压源 V （2.5V、1.8V） 或其他电压电平获取恒定电流，具体取决于电流模式线路驱动器所需的电流。

图5.电流模式线路驱动器PHY与ICM通道的典型连接

如果使用传统CMC，两线绕组穿过环形磁芯，则恒定电流流过两线CMC，要么在单个绕组上，要么基于电流驱动器的任一开关或两个开关，通过两个绕组。在所有三个阶段中，电流都以相同的方向流过CMC，因此磁芯中不会有任何磁通消除。如果没有磁芯中的磁通消除，CMC会干扰电流的变化，从而导致意外的信号失真。每个以太网端口都有四个通道，对于多端口集成电路模块（ICM）（例如2x4或2x6 ICM），信号失真可能会产生更多问题。为了解决这些问题，Bel 工程师设计了三线绕组 CMC。这是Bel专有的专利。使用三线绕组CMC，瞬态电流流过CMC的中间绕组，该绕组也是变压器的中心抽头。该电流与流过CMC外绕组的电流相等且异相。因此，磁通将被抵消，从而导致磁芯中的净零磁通，并且CM噪声可以通过这条低阻抗路径流向地，因此信号不会失真。

电流模式线路驱动器 PHY 比电压模式线路驱动器具有更高的功耗。因此，对于大多数新的PHY来说，电压模式线路驱动器是首选。然而，电流模式线路驱动器PHY（图5）架构设计由于其更简单的设计和更低的成本，经常被LAN PHY制造商使用。电压驱动 PHY 在其开关设计中使用可用的 3.3V 电源;因此，不需要单独的电压源连接到变压器的中心抽头。在没有通过中心抽头的下拉电流的情况下，两线制CMC可与电压模式线路驱动器很好地配合使用，以提供高阻抗，从而限制CM噪声。但是，噪声板可能会通过变压器的中心抽头将接地噪声注入系统;Bel 专有的专利三线 CMC 设计将过滤来自系统板的接地噪声。

图6.电压模式线路驱动器PHY与ICM通道的典型连接

自耦变压器

LAN磁性中可能存在的另一个组件是自耦变压器。自耦变压器将充当CM信号的高值阻抗，因此它对所需信号的影响非常小。但是，自耦变压器将充当CM信号的低值阻抗，自耦变压器的中心抽头将为CM噪声直接进入地电位提供低阻抗路径。收发器侧的中心抽头在耦合到地时可以选择容性，以降低CM阻抗。这样做将消除初级绕组与磁芯之间的电容以及次级绕组与磁芯之间的电容的CM转移效应。变压器中的耦合电容可以通过使用提供更大漏感和寄生线圈电容的绕组结构来降低。自耦变压器与电阻器和高压电容器网络相结合，在以太网电缆的UTP和接地之间提供阻抗匹配和高压隔离，以将CM信号和噪声分流到地。

局域网系统EMI的另一个来源是支持供电设备（PSE）的系统。对于以太网供电 （POE） 应用，电力通过变压器次级的中心抽头传输，该抽头可为功率器件 （PD） 提供 15W、30W 或 60W 的功率，具体取决于系统和磁性元件的结构。通常，开关电源转换器同时携带DM噪声和CM噪声。通常，功率CM噪声约为几十MHz，因此它只影响系统中的传导发射。但是，差分噪声具有较高的带宽，通常高于100MHz，因此会影响系统的辐射发射性能。通常，在 POE 应用中，Bel 磁性 ICM 包括 CMC，它可以抑制电源的 CM 噪声或差分噪声。以下是用于POE应用的Bel Magnetics的典型原理图。

图7.带自耦变压器的Bel ICM的典型原理图

结论

为 LAN 设备选择合适的磁性模块是确保信号完整性和 EMI 性能符合 IEEE 802.3 和 EMC 合规性的重要一步。在产品设计的早期阶段处理潜在的EMI问题是一个明智的举措，可以让LAN设计人员充满信心，并能够控制产品发布，而不会因EMI故障而延迟或重新设计。LAN磁性元件变得越来越复杂，经验丰富的LAN系统设计人员需要在设计过程的早期从Bel等知名磁性元件制造商那里选择合适的磁性元件，以获得技术能力很强的Bel设计师团队的全力支持，他们可以帮助LAN设计人员避免在设计周期后期出现代价高昂的问题，并成功将产品推向市场。

审核编辑：郭婷