為您的ICM選擇合適的磁性元件

ICM的磁性設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

為 LAN 設(shè)備選擇合適的磁性模塊是確保信號(hào)完整性和滿足 IEEE 802.3 和 EMC 合規(guī)性的重要一步。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的早期階段處理潛在的EMI問題是一個(gè)明智的舉措，可以讓LAN設(shè)計(jì)人員充滿信心，并能夠控制產(chǎn)品發(fā)布，而不會(huì)因EMI故障而延遲或重新設(shè)計(jì)。

介紹

EMI噪聲通常分為發(fā)射噪聲或敏感性噪聲。LAN磁性元件中有助于降低系統(tǒng)噪聲對(duì)內(nèi)部和外部EMI的參數(shù)是差模（DM）或共模（CM）轉(zhuǎn)換。CM電流噪聲可以通過信號(hào)線傳播為CM噪聲或DM噪聲。根據(jù)系統(tǒng)的CM噪聲頻率，Bel ICM產(chǎn)品可以針對(duì)這些頻率，將CM噪聲抑制到可接受的水平。由于阻抗越高，CM噪聲越低。Bel 工程師可以查看合規(guī)性實(shí)驗(yàn)室的初步 EMI 圖、靜電放電 （ESD） 信息、輻射抗擾度或傳導(dǎo)抗擾度報(bào)告，以確定合適的磁性模塊，以修復(fù)系統(tǒng)性能不佳的問題，這些性能通常由布局問題、屏蔽或系統(tǒng)設(shè)計(jì)引起，以通過 EMC 合規(guī)性。即使采用良好的布局實(shí)踐，如果設(shè)計(jì)人員選擇低質(zhì)量的組件，系統(tǒng)也可能不符合EMC要求。對(duì)于LAN系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來說，最重要的決策是選擇合適的具有適當(dāng)性能和良好EMI抑制的LAN磁性元件，以便在設(shè)計(jì)周期中盡早解決EMC問題。如果系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員為其LAN設(shè)備選擇了錯(cuò)誤的磁性模塊，EMI問題可能會(huì)出現(xiàn)在設(shè)計(jì)周期的后期，這可能會(huì)導(dǎo)致代價(jià)高昂的產(chǎn)品重新設(shè)計(jì)和產(chǎn)品發(fā)布推遲或延遲。

局域網(wǎng)電磁兼容要求

低成本設(shè)計(jì)的影響，包括更少的元件數(shù)量和更高的物理層（PHY）收發(fā)器靈敏度，導(dǎo)致系統(tǒng)更容易受到EMI的影響，并且無法滿足EMC的合規(guī)性法規(guī)。當(dāng)傳輸速度為10 Gbps時(shí)，差分對(duì)中的少量偏斜將導(dǎo)致差分對(duì)之間的上升和下降時(shí)間、幅度和傳播延遲不匹配，這是差分信號(hào)線上CM噪聲轉(zhuǎn)換的來源。這會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不符合EMC要求。磁性ICM的內(nèi)部結(jié)構(gòu)必須設(shè)計(jì)良好，從內(nèi)部PCB布局，內(nèi)部屏蔽和環(huán)形線圈基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)到繞組和端接。差分對(duì)需要保持良好的平衡，以確保低CM轉(zhuǎn)換以及對(duì)外部和內(nèi)部噪聲源的高抗擾度。

EMC 有兩個(gè)每個(gè) LAN 系統(tǒng)都需要滿足的主要要求：輻射和敏感性。發(fā)射是指電子設(shè)備在不干擾其他系統(tǒng)的情況下運(yùn)行的能力;敏感性是指電子設(shè)備在指定的電磁環(huán)境中繼續(xù)正常運(yùn)行的能力。對(duì)于發(fā)射要求（輻射發(fā)射或傳導(dǎo)發(fā)射）在投放市場(chǎng)之前，LAN設(shè)備必須通過聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）企業(yè)級(jí)設(shè)備的A類認(rèn)證或住宅電子設(shè)備的FCC B類認(rèn)證。敏感性與發(fā)射相反。它是指產(chǎn)品在暴露于電磁現(xiàn)象時(shí)的功能。常見的敏感性形式是ESD、電纜放電事件、輻射抗擾度、傳導(dǎo)抗擾度以及電快速瞬變/突發(fā)和浪涌。

ESD是衡量系統(tǒng)敏感性的主要測(cè)試。當(dāng)設(shè)備的機(jī)箱暴露于ESD模擬器（“ESD槍”）的高能放電中，以測(cè)試LAN系統(tǒng)的抗擾度，直接接觸+/– 8kV和空氣放電+/– 15kV或其他測(cè)試水平，根據(jù)要求，高能量可能會(huì)耦合到信號(hào)線中，并導(dǎo)致設(shè)備的數(shù)據(jù)鏈路斷開并且無法恢復(fù)， 這可能導(dǎo)致產(chǎn)品不符合 ESD 要求。在嚴(yán)重事件中，特別是對(duì)于高速、高靈敏度的下一代 PHY 幾何形狀，向 PHY 釋放高能量可能會(huì)變得具有破壞性，從而導(dǎo)致系統(tǒng)暫時(shí)或永久性損壞。通過內(nèi)部連接器的精心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，Bel 磁性 ICM 的布局使得高能量將具有最短的接地路徑，這意味著最少的高能量將能夠耦合到信號(hào)線中。如果高共模能量耦合到線路中，Bel ICM設(shè)計(jì)會(huì)將高能量降低到PHY可以處理的可持續(xù)水平，而不會(huì)損壞任何數(shù)據(jù)，從而為系統(tǒng)提供高抗擾度并允許其維持ESD事件。

LAN設(shè)備不受輻射和傳導(dǎo)發(fā)射影響的能力也很重要，因?yàn)長(zhǎng)AN設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)會(huì)遇到不同類型的EMI干擾。輻射抗擾度和傳導(dǎo)抗擾度測(cè)試旨在測(cè)量電氣設(shè)備在應(yīng)力條件下的性能。根據(jù)要求，典型測(cè)試電平可以是 3V/m 或 10V/m，從 150 kHz 到 80 MHz 的傳導(dǎo)抗擾度，以及 80MHz 到 2.7GHz 的輻射抗擾度。Bel 磁性 ICM 可以有效地最大限度地減少通常從電纜或 PCB 走線拾取的輻射電場(chǎng)的影響。檢查系統(tǒng)抗擾度的其他測(cè)試是電氣快速瞬變（EFT）和浪涌測(cè)試。EFT 抗干擾測(cè)試旨在測(cè)量 LAN 設(shè)備在干擾條件下由于可能耦合到電纜中的電感負(fù)載切換而導(dǎo)致的正常運(yùn)行情況。浪涌抗擾度旨在檢查 LAN 設(shè)備處理電涌的能力?，F(xiàn)實(shí)世界中有許多類型的浪涌可能會(huì)損壞 LAN 設(shè)備。Bel 磁性 ICM 內(nèi)部結(jié)構(gòu)旨在減少可能損壞系統(tǒng)的故障。

局域網(wǎng)磁性ICM

磁性模塊是LAN系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件。它旨在滿足信號(hào)完整性要求，并最大限度地減少不良EMI進(jìn)入系統(tǒng)，這會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不符合EMC要求，尤其是第五次諧波以十分之一千兆赫茲運(yùn)行的高速系統(tǒng)。因此，選擇合適的磁性制造商和經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師來幫助系統(tǒng)通過EMC法規(guī)是LAN系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的重大決定。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會(huì)導(dǎo)致問題，例如不符合EMC要求，延遲向市場(chǎng)發(fā)布新產(chǎn)品的時(shí)間以及更高的成本。采用良好設(shè)計(jì)技術(shù)的合格Bel磁性ICM將限制進(jìn)入系統(tǒng)的CM噪聲量，因此可以滿足EMC合規(guī)性要求。

Bel 磁性 ICM 遠(yuǎn)比看起來復(fù)雜得多，只有技術(shù)上稱職的 LAN 磁性設(shè)計(jì)人員才能理解信號(hào)完整性和 EMC 之間的設(shè)計(jì)權(quán)衡。他們能夠幫助LAN系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員選擇合適的磁性ICM，以滿足信號(hào)完整性和EMC要求。典型的 LAN 磁性 ICM 包括一個(gè)隔離變壓器，以確保 LAN 設(shè)備滿足 IEEE 802.3 標(biāo)準(zhǔn)中定義的隔離要求。除隔離變壓器外，LAN磁性ICM還具有與變壓器串聯(lián)的共模扼流圈（CMC），用于衰減CM信號(hào)，但允許所需的差分信號(hào)通過。它還可能包含端接電阻器、去耦電容器、用于支持 POE 的系統(tǒng) POE CMC 或用于降低線路上 CM 噪聲的 CM 檢測(cè)通道。總體而言，LAN 磁性 ICM 提供阻抗匹配、信號(hào)整形和調(diào)理、高壓隔離和 CM 降噪功能。以太網(wǎng)使用 UTP（非屏蔽雙絞線）電纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，使其面臨輻射發(fā)射問題。沒有接地屏蔽意味著電纜將輻射，除非差分信號(hào)是對(duì)稱的并且具有低水平的共模噪聲。泄漏的共模噪聲將顯示在信號(hào)線上，從而產(chǎn)生EMI問題。

隔離變壓器

憑借適當(dāng)?shù)膬?nèi)部印刷電路板 （PCB） 設(shè)計(jì)和適當(dāng)?shù)拇判栽O(shè)計(jì)來處理共模轉(zhuǎn)換、通道間串?dāng)_和外來串?dāng)_，Bel 磁性 ICM 將成為保護(hù)系統(tǒng)免受 CM 瞬變影響的主要防御器，并提供低阻抗接地路徑，以將來自 ESD 或 CDE 的高能量從信號(hào)路徑轉(zhuǎn)移開， 防止其耦合到管路中并損壞 PHY。使用內(nèi)部設(shè)計(jì)不良的不合格磁性元件會(huì)加劇問題并導(dǎo)致系統(tǒng)故障。

隔離變壓器用于LAN磁性模塊中，在LAN設(shè)備的輸入和輸出之間提供電壓隔離，實(shí)現(xiàn)電壓或電流的轉(zhuǎn)換，并抑制CM干擾的影響。理想的變壓器只會(huì)傳輸差分電流并阻止所有CM電流。但是，實(shí)用的變壓器將具有耦合初級(jí)和次級(jí)繞組的小電容。這種小電容為無意中的CM電流通過變壓器傳輸提供了低阻抗路徑，它可以產(chǎn)生與其他電路的靜電耦合，從而影響通道的EMI性能。

變壓器是確定IEEE 802.3規(guī)范要求的LAN模擬接口特性的一個(gè)非常重要的元素。變壓器和相關(guān)輸入和輸出電路設(shè)計(jì)的考慮因素是控制信號(hào)的上升和下降時(shí)間，保持波形完整性和低頻下降百分比，以及設(shè)計(jì)低繞組間電容以實(shí)現(xiàn)最佳CM抑制。優(yōu)化變壓器漏感和繞組間電容也用于控制所需頻率下的頻率帶寬和高或低抑制。下面的圖1是ICM模塊的典型原理圖。

圖1.ICM模塊的典型原理圖

共模扼流圈

Bel ICM的另一個(gè)關(guān)鍵組件是LAN電路每個(gè)通道中的公共扼流圈。在高頻下，CM扼流圈是系統(tǒng)滿足EMC要求所必需的。CM扼流圈對(duì)CM噪聲分量顯示高阻抗，但對(duì)DM噪聲分量顯示低阻抗。影響LAN設(shè)備發(fā)射和抗擾度的最重要因素是CM和CM噪聲。使用 UTP 電纜進(jìn)行 LAN，每根電線與干擾源的平均距離相同。這導(dǎo)致干擾主要是CM，只有少量殘留量作為CM干擾。CM電流的大小相等，但方向相同。這些電流不是故意的，但它們將存在于實(shí)際系統(tǒng)中。

如果CMC的繞組是對(duì)稱的，并且所有磁通都保留在磁芯中，則CM電流看到的阻抗將為零，而CM電流看到的阻抗將為高值。因此，CMC可以有效地阻止不需要的CM噪聲，但允許所需的差分信號(hào)通過。為了提供CM噪聲的阻抗，導(dǎo)線必須纏繞在磁芯周圍，使得兩個(gè)CM電流產(chǎn)生的磁通量在磁芯中增加，而兩個(gè)DM電流產(chǎn)生的磁通量在磁芯中減去。繞組的輸入和輸出位置應(yīng)使其之間的雜散電容最小;否則，雜散電容會(huì)降低CMC阻斷CMC噪聲的有效性。

以下是不同CMC材料的典型阻抗曲線（圖2）。CMC 的阻抗由磁芯材料、尺寸和匝數(shù)決定。通常，局域網(wǎng)磁性ICM中的CMC是使用鐵氧體材料。由氧化鐵和一種或多種額外的粉末金屬元素（如鎳、鋅或鎂）組成的鐵氧體可以通過抑制電子運(yùn)動(dòng)來減少施加的 EMI 場(chǎng);這些鐵氧體可有效抑制傳導(dǎo)和輻射發(fā)射。最高的初始磁導(dǎo)率材料，如錳鋅鐵氧體，能夠提供高阻抗，但其磁導(dǎo)率在更高的頻率下比鎳鋅更快地惡化。因此，根據(jù)目標(biāo)頻率，需要正確選擇磁芯材料、尺寸和匝數(shù)以抑制CM噪聲。

圖2.不同材料的CMC阻抗

阻抗越高，該頻率下的CM性能越好。但是，CMC阻抗在特定頻率下將最大化，而在其他頻率下將降低。此外，由于磁芯飽和，CMC阻抗在較高頻率下會(huì)降低，因此匝數(shù)和磁芯材料選擇在CMC設(shè)計(jì)中非常重要。CMC的CM抑制如圖3所示，整個(gè)模塊磁性ICM的CM到DM轉(zhuǎn)換如圖4所示。

圖3.在750次無負(fù)載循環(huán)后LLCR的變化。

圖4.磁性ICM的典型共模至差分

物理層收發(fā)器架構(gòu)

以太網(wǎng) PHY 收發(fā)器有兩種主要架構(gòu)設(shè)計(jì)。此類收發(fā)器要么是電壓模式線路驅(qū)動(dòng)器，要么是電流模式線路驅(qū)動(dòng)器PHY，因此EMI問題與電流或電壓有關(guān)。通常，電流模式 PHY 相關(guān)問題與差模相關(guān)，電壓模式 PHY 問題與共模相關(guān)。因此，電壓模式驅(qū)動(dòng)或電流模式驅(qū)動(dòng)PHY的磁性元件設(shè)計(jì)是不同的。對(duì)于電流模式線路驅(qū)動(dòng)器 PHY，電流驅(qū)動(dòng)器從電壓源 V （2.5V、1.8V） 或其他電壓電平獲取恒定電流，具體取決于電流模式線路驅(qū)動(dòng)器所需的電流。

圖5.電流模式線路驅(qū)動(dòng)器PHY與ICM通道的典型連接

如果使用傳統(tǒng)CMC，兩線繞組穿過環(huán)形磁芯，則恒定電流流過兩線CMC，要么在單個(gè)繞組上，要么基于電流驅(qū)動(dòng)器的任一開關(guān)或兩個(gè)開關(guān)，通過兩個(gè)繞組。在所有三個(gè)階段中，電流都以相同的方向流過CMC，因此磁芯中不會(huì)有任何磁通消除。如果沒有磁芯中的磁通消除，CMC會(huì)干擾電流的變化，從而導(dǎo)致意外的信號(hào)失真。每個(gè)以太網(wǎng)端口都有四個(gè)通道，對(duì)于多端口集成電路模塊（ICM）（例如2x4或2x6 ICM），信號(hào)失真可能會(huì)產(chǎn)生更多問題。為了解決這些問題，Bel 工程師設(shè)計(jì)了三線繞組 CMC。這是Bel專有的專利。使用三線繞組CMC，瞬態(tài)電流流過CMC的中間繞組，該繞組也是變壓器的中心抽頭。該電流與流過CMC外繞組的電流相等且異相。因此，磁通將被抵消，從而導(dǎo)致磁芯中的凈零磁通，并且CM噪聲可以通過這條低阻抗路徑流向地，因此信號(hào)不會(huì)失真。

電流模式線路驅(qū)動(dòng)器 PHY 比電壓模式線路驅(qū)動(dòng)器具有更高的功耗。因此，對(duì)于大多數(shù)新的PHY來說，電壓模式線路驅(qū)動(dòng)器是首選。然而，電流模式線路驅(qū)動(dòng)器PHY（圖5）架構(gòu)設(shè)計(jì)由于其更簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)和更低的成本，經(jīng)常被LAN PHY制造商使用。電壓驅(qū)動(dòng) PHY 在其開關(guān)設(shè)計(jì)中使用可用的 3.3V 電源;因此，不需要單獨(dú)的電壓源連接到變壓器的中心抽頭。在沒有通過中心抽頭的下拉電流的情況下，兩線制CMC可與電壓模式線路驅(qū)動(dòng)器很好地配合使用，以提供高阻抗，從而限制CM噪聲。但是，噪聲板可能會(huì)通過變壓器的中心抽頭將接地噪聲注入系統(tǒng);Bel 專有的專利三線 CMC 設(shè)計(jì)將過濾來自系統(tǒng)板的接地噪聲。

圖6.電壓模式線路驅(qū)動(dòng)器PHY與ICM通道的典型連接

自耦變壓器

LAN磁性中可能存在的另一個(gè)組件是自耦變壓器。自耦變壓器將充當(dāng)CM信號(hào)的高值阻抗，因此它對(duì)所需信號(hào)的影響非常小。但是，自耦變壓器將充當(dāng)CM信號(hào)的低值阻抗，自耦變壓器的中心抽頭將為CM噪聲直接進(jìn)入地電位提供低阻抗路徑。收發(fā)器側(cè)的中心抽頭在耦合到地時(shí)可以選擇容性，以降低CM阻抗。這樣做將消除初級(jí)繞組與磁芯之間的電容以及次級(jí)繞組與磁芯之間的電容的CM轉(zhuǎn)移效應(yīng)。變壓器中的耦合電容可以通過使用提供更大漏感和寄生線圈電容的繞組結(jié)構(gòu)來降低。自耦變壓器與電阻器和高壓電容器網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，在以太網(wǎng)電纜的UTP和接地之間提供阻抗匹配和高壓隔離，以將CM信號(hào)和噪聲分流到地。

局域網(wǎng)系統(tǒng)EMI的另一個(gè)來源是支持供電設(shè)備（PSE）的系統(tǒng)。對(duì)于以太網(wǎng)供電 （POE） 應(yīng)用，電力通過變壓器次級(jí)的中心抽頭傳輸，該抽頭可為功率器件 （PD） 提供 15W、30W 或 60W 的功率，具體取決于系統(tǒng)和磁性元件的結(jié)構(gòu)。通常，開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器同時(shí)攜帶DM噪聲和CM噪聲。通常，功率CM噪聲約為幾十MHz，因此它只影響系統(tǒng)中的傳導(dǎo)發(fā)射。但是，差分噪聲具有較高的帶寬，通常高于100MHz，因此會(huì)影響系統(tǒng)的輻射發(fā)射性能。通常，在 POE 應(yīng)用中，Bel 磁性 ICM 包括 CMC，它可以抑制電源的 CM 噪聲或差分噪聲。以下是用于POE應(yīng)用的Bel Magnetics的典型原理圖。

圖7.帶自耦變壓器的Bel ICM的典型原理圖

結(jié)論

為 LAN 設(shè)備選擇合適的磁性模塊是確保信號(hào)完整性和 EMI 性能符合 IEEE 802.3 和 EMC 合規(guī)性的重要一步。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的早期階段處理潛在的EMI問題是一個(gè)明智的舉措，可以讓LAN設(shè)計(jì)人員充滿信心，并能夠控制產(chǎn)品發(fā)布，而不會(huì)因EMI故障而延遲或重新設(shè)計(jì)。LAN磁性元件變得越來越復(fù)雜，經(jīng)驗(yàn)豐富的LAN系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要在設(shè)計(jì)過程的早期從Bel等知名磁性元件制造商那里選擇合適的磁性元件，以獲得技術(shù)能力很強(qiáng)的Bel設(shè)計(jì)師團(tuán)隊(duì)的全力支持，他們可以幫助LAN設(shè)計(jì)人員避免在設(shè)計(jì)周期后期出現(xiàn)代價(jià)高昂的問題，并成功將產(chǎn)品推向市場(chǎng)。

審核編輯：郭婷