为您的 ICM 选择适当的磁件

为 LAN 设备选择正确的磁性模块，是确保满足 IEEE 802.3 和 EMC 信号完整性标准的重要一步。在产品设计的早期阶段处理潜在的 EMI 问题是明智之举，它可以让 LAN 设计者充满信心，并能够控制产品发布，而不会因 EMI 故障而延迟或重新设计。

简介

EMI 噪声通常分为发射性或敏感性。有助于降低系统内部和外部 EMI 噪声的 LAN 磁性参数是差模 (DM) 或共模 (CM) 转换。CM 电流噪声可作为 CM 噪声或 DM 噪声通过信号线传播。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。阻抗越高，CM 噪声越低。Bel 工程师可以查看来自合规实验室的初步 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来解决通常由布局问题、屏蔽或系统设计引起的系统性能不佳的问题，从而满足 EMC 标准。即使采用良好的布局方案，如果设计者选择低质量元件，系统也可能无法满足 EMC 要求。LAN 系统设计者最重要的决定是选择具有适当性能和良好 EMI 抑制的适当 LAN 磁性元件，以便在设计周期的早期解决 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，则 EMI 问题可能会在设计周期的后期出现，这可能会导致代价高昂的产品重新设计，以及产品发布推迟或延迟。

LAN EMC 要求

低成本设计的影响，包括减少元件数量和增加物理层 (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 标准要求。在 10 Gbps 的传输速度下，差分对中的少量偏斜会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，这是差分信号线上的 CM 噪声来源。这会导致系统不符合 EMC 要求。磁性 ICM 的内部结构必须精心设计，从内部 PCB 布局、内部屏蔽、环形底座结构到绕组和端接。差分对需要很好地平衡，以确保外部和内部噪声源的低 CM 转换和高抗扰度。

每个 LAN 系统都需要满足两项主要 EMC 要求：发射和敏感性。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持续正常运行的能力。对于 LAN 设备的发射要求 - 无论是辐射发射还是传导发射，其在投放市场之前，必须通过联邦通信委员会 (FCC) 的企业级设备 A 级认证或家用电子设备的 FCC B 级认证。易感性与发射相反。它是指产品暴露在电磁现象时的功能。易感性的常见形式是 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项目。当设备的机箱暴露在 ESD 模拟器（ESD 枪）的高能放电下，以通过 +/- 8kV 直接接触和空气放电 +/- 15kV 或其他测试级别测试 LAN 系统的抗扰度时，根据要求，高能量可以耦合至信号线中，导致设备的数据链路掉线并且无法恢复，这可能导致产品不符合 ESD 要求。在严重事件中，尤其是高速、高灵敏度的下一代 PHY 几何结构中，向 PHY 中释放的高能量可能具有破坏性，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 Magnetic ICM 的布局使得高能量具有最短的接地路径，这意味着能够耦合至信号线中的高能量最少。如果高共模能量耦合至线路中，Bel ICM 设计会将高能量降低到 PHY 可以处理而不会造成任何数据损坏的可持续水平，从而为系统提供高抗扰度，并使其能够保持 ESD 事件。

LAN 设备不受辐射和传导发射影响的能力也很重要，原因是 LAN 设备会在现场遇到不同类型的 EMI 干扰。辐射抗扰度和传导抗扰度测试旨在测量电子设备在压力条件下的性能表现。根据要求，典型的测试水平可以是 3V/m 或 10V/m，从 150 kHz 到 80 MHz 用于传导抗扰度，80MHz 到 2.7GHz 用于辐射抗扰度。Bel 磁性 ICM 可以有效地减少经常从电缆或 PCB 迹线拾取的辐射电场影响。其他系统抗扰度检查测试为电快速瞬变 (EFT) 和浪涌测试。EFT 抗扰度测试旨在测量：在现实情况下，当耦合至电缆的电感负载切换干扰到 LAN 设备时，其在真实情况下的运行情况。浪涌抗扰度旨在评估 LAN 设备处理电源浪涌的能力。现实情况下，有多种类型的浪涌可能损坏 LAN 设备。Bel 磁性 ICM 内部结构旨在减少可能破坏系统的故障。

LAN 磁性 ICM

磁性模块是 LAN 系统中的关键元件。它旨在满足信号完整性要求，并最大限度地减少不必要的 EMI 系统访问，后者会导致系统无法满足 EMC 要求，尤其是以十分之一千兆赫兹运行的五次谐波高速系统。因此，选择合适的磁件生产商和经验丰富的工程师来帮助系统符合 EMC 法规要求，是 LAN 系统设计者的一项重大决策。有的 LAN 磁件也不同；使用不合格的磁性元件可能会导致不符合 EMC 要求、新产品上市时间延迟以及成本增加等问题。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，本品在信号完整性和 EMC 之间进行了设计权衡，只有技术上称职的 LAN 磁性设计人员才能理解。他们能够帮助 LAN 系统设计者选择满足信号完整性和 EMC 要求的适当磁性 ICM。常用的 LAN 磁性 ICM 配备一个隔离变压器，以确保 LAN 设备满足 IEEE 802.3 标准定义的隔离要求。除了隔离变压器外，LAN 磁性 ICM 还配备与变压器串联的共模扼流圈 (CMC)，以衰减 CM 信号，但允许必要的差分信号通过。它还可能包含终端电阻、去耦电容、支持 POE 系统的 POE CMC，或用于降低线路上 CM 噪声的 CM 感应信道。总体而言，LAN 磁性 ICM 提供阻抗匹配、信号整形和调节、高压隔离与 CM 噪声降低功能。以太网使用非屏蔽双绞线 (UTP) 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会辐射，差分信号对称且共模噪声水平较低者除外。泄漏的共模噪声会在信号线上出现，从而产生 EMI 问题。

隔离变压器

通过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 瞬态和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，防止其耦合到线路中并损坏 PHY。使用内部设计不佳的不合格磁体，可能会加剧问题并导致系统故障。

LAN 磁性模块中使用隔离变压器，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，抑制 CM 干扰的影响。理想的变压器将只传输差动电流并阻断所有共模电流。但是实际的变压器将配备耦合初级和次级绕组的小电容。这款小型电容为异常 CM 电流通过变压器提供了低阻抗路径，它会与其他电路产生静电耦合，从而影响信道的 EMI 性能。

变压器是确定 LAN 模拟接口特点是否满足 IEEE 802.3 规格的重要元件。变压器与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百分比的低频下垂，以及设计低绕组间电容以实现最佳 CM 抑制。优化后的变压器漏感和绕组间电容也用于控制所需频率的频率带宽和高低抑制。下图 1 是常见的 ICM 模块原理图。

共模扼流圈

Bel ICM 中的另一个关键元件是 LAN 电路中每个信道内的公共扼流圈。在高频情况下，CM 扼流圈是系统满足 EMC 要求的必要条件。CM 扼流圈对 CM 噪声分量显示出高阻抗，对 DM 噪声分量显示出低阻抗。影响 LAN 设备发射和抗扰度的最重要因素是 CM 与 CM 噪声。通过 LAN 用途的 UTP 电缆，每根接线与干扰源的平均距离相同。这导致干扰主要是 CM，仅少量剩余量为 CM 干扰。CM 电流大小相等，且方向相同。这些电流并非有意，而是会出现在实际的系统中。

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 电流受到的阻抗将为零，否则 CM 电流受到的阻抗将为高值。因此，CMC 可以有效地阻止不必要的 CM 噪声，但可以使必要的差分信号通过。为了提供这种对 CM 噪声的阻抗，接线必须缠绕在磁芯周围，使得由于两个 CM 电流产生的磁通量在磁芯中相加，而由两个 DM 电流引起的磁通量在磁芯中相减。绕组的输入和输出的位置应使它们之间的杂散电容最小，否则，杂散电容会降低 CMC 阻挡 CM 噪声的效果。

以下是不同 CMC 材料的典型阻抗曲线（图 2）。CMC 的阻抗取决于磁芯材料、尺寸和匝数。通常，LAN 磁性 ICM 中的 CMC 采用铁氧体材料。由氧化铁和一种或多种额外的粉末金属元素（如镍、锌或镁）组成的铁氧体可通过抑制电子运动降低施加的 EMI 磁场；这些铁氧体可有效抑制传导和辐射发射。锰锌铁氧体等初始磁导率最高的材料能够提供高阻抗，但在较高频率下，其磁导率比镍锌恶化速度更快。因此，根据感兴趣的频率，需要正确选择磁芯材料、大小和匝数，以抑制 CM 噪声。

阻抗越高，该频率下的 CM 性能越佳。但是，CMC 阻抗将在特定频率处达到最大，而在其他频率处较低。此外，由于磁芯饱和，CMC 阻抗在高频时会降低，因此匝数和磁芯材料选择对 CMC 设计很重要。CMC 的 CM 抑制参见图 3，或者整个模块（磁性 ICM）的 CM 转 DM 参见图 4。

PHY 收发器架构

以太网 PHY 收发器主要包括两种架构设计。该收发器为电压模式线路驱动器或电流模式线路驱动器 PHY，因此 EMI 问题与电流或电压相关。通常情况，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 的磁件设计是不同的。通过电流模式线路驱动器 PHY，电流驱动器从电压源中拉出恒定电流（2.5V、1.8V 或其他电压电平），具体取决于电流模式线路驱动器所需的电流。

如果使用具有环形磁芯双线绕组的传统 CMC，则根据电流驱动器开启的任一开关或两个开关，恒定电流在单个绕组或两个绕组上流过双线 CMC。在所有三个阶段中，电流以相同方向流经 CMC，因此磁芯中不会有任何磁通量被抵消。如果没有磁芯中的磁通抵消，CMC 会干扰电流变化，从而导致意外的信号失真。每个以太网端口都有四个信道，并且使用多端口集成电路模块 (ICM)（例如 2x4 或 2x6 ICM），信号失真会产生更多问题。为解决这些问题，Bel 工程师设计了三线绕组 CMC。这是 Bel 的专有设计和专利。采用三线绕组 CMC，瞬态电流流经 CMC 的中间绕组，也就是变压器的中心抽头。该电流与流经 CMC 外绕组的电流相等且异相。因此，磁通量将被抵消，导致磁芯中的净磁通量为零，CM 噪声可以通过这条低阻抗路径流向接地，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功耗更大。因此，对于大多数新 PHY 来说，电压模式线路驱动器是首选。但是，LAN PHY 制造商经常使用电流模式线路驱动器 PHY（图 5）架构设计，原因是其设计更简单，成本更低。电压驱动 PHY 在其开关设计中使用 3.3V 电源；因此，不需要单独的电压源连接至变压器的中心抽头。在没有下拉电流通过中心抽头的情况下，两线 CMC 与电压模式线路驱动器配合良好，以提供高阻抗，限制 CM 噪声。但是，有噪音的板材可能会通过变压器的中心抽头将接地噪声注入系统；Bel 的专利三线 CMC 设计将过滤来自系统板材的接地噪声。

自耦变压器

LAN 磁体中可能存在的另一个元件是自耦变压器。自耦变压器将充当 CM 信号的高阻值阻抗，因此它对所需信号的影响达到最小。然而，自耦变压器将对 CM 信号起到低阻值的作用，自耦变压器的中心抽头将为 CM 噪声提供低阻抗路径，使其直接到达接地电位。当耦合接地时，收发器侧的中心抽头可选择电容性类型，以降低 CM 阻抗。如此将消除初级绕组到磁芯之间的电容，以及次级绕组到磁芯之间的电容的 CM 传递效应。通过使用提供更大漏感和寄生线圈电容的绕组结构，可以降低变压器中的耦合电容。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 和地之间提供阻抗匹配和高压隔离，以将 CM 信号和噪声分流至接地。

LAN 系统 EMI 的另一个来源是电源设备 (PSE) 支持系统。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，根据系统结构与磁性，可为功率设备 (PD) 提供 15W、30W 或 60W 的功率。通常，开关电源转换器同时携带 DM 噪声与 CM 噪声。通常，功率 CM 噪声在大约 几十 MHz，因此只影响系统中的传导发射。但是，差分噪声的带宽较高，通常在 100MHz 以上，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 包含 CMC，它可抑制来自电源的 CM 噪声或差分噪声。以下是 POE 用途的 Bel Magnetics 产品常见示意图。

结论

为 LAN 设备选择正确的磁性模块，是确保符合 IEEE 802.3 和 EMC 合规性的信号完整性和 EMI 性能标准的重要一步。在产品设计的早期阶段处理潜在的 EMI 问题是明智之举，它可以让 LAN 设计者充满信心，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 磁体变得越来越复杂，经验丰富的 LAN 系统设计者需要在设计过程的早期从 Bel 等知名磁体生产商处选择合适的磁体，以获得强大技术能力的 Bel 设计人员团队的全力支持，他们可以帮助 LAN 设计者避免在设计阶段后期出现代价高昂的问题，并将产品成功推向市场。