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    專家精講:GaN功率開關及有哪些EMI影響?

    發布時間:2015-07-20 責任編輯:sherry

    【導讀】GaN功率開關的價值很明顯,效率也比MOSFET來得好。雖然GaN技術已問世,但我只看到少部分數據談論這些皮秒開關裝置如何影響產品EMI的發生。但我相信有更多研究需要去完成EMI會發生的后果,至于EMI工程師與顧問在未來幾年也將可望采用GaN組件。
     
    由于這些新電源開關的快速開關速度與相關更高效率,因此我們希望看到他們能適用于開關模式電源和射頻(RF)功率放大器。他們可廣泛取代現有的金屬氧化物半導體場效晶體管(MOSFET),且具有較低的“On”電阻、更小的寄生電容、更小的尺寸與更快的速度。我已注意到采用這些裝置的新產品,其他應用包括電信直流對直流(DC-DC)、無線電源(Wireless Power)、激光雷達(LiDAR)和D型音頻(Class D Audio)。很顯然,任何半導體組件在幾皮秒內切換,很可能會產生大量的電磁干擾(EMI)。為了評估這些GaN組件,Sandler安排我來測試一些評估板。一塊我選擇測試的是Efficient Power Conversion的半橋(Half-bridge )1MHz DC-DC降壓轉換器EPC9101(圖1),請參考這塊測試板上的其他信息,以及一些其他的參考部分。
    演示板用于顯示GaN的EMI。該GaN組件被圈定,我會在L1左側測量切換的波形。
    圖1該演示板用于顯示GaN的EMI。該GaN組件被圈定,我會在L1左側測量切換的波形。
     
    該演示板利用8至19伏特(V)電流,并將其轉換為1.2伏20安培(A)(圖2),我讓它運行在與10奧姆、2瓦(W)負載、10伏特電壓狀態。
    半橋DC-DC轉換器的電路圖,波形在L1的左端返回處被測試
    圖2 半橋DC-DC轉換器的電路圖,波形在L1的左端返回處被測試。
     
    我試圖用一個羅德史瓦茲(R&S)RT-ZS20 1.5 GHz的單端探頭捕獲邊緣速率(圖3),并探測L1的切換結束,不過現有測試設備的帶寬限制,以至于無法忠實捕捉。我能擷取到最好的(圖4)是一個1.5納秒上升時間(其中,以EMI的角度來看,是相當快的開始!) 為準確地記錄典型的300~500皮秒邊緣速度將需要30 GHz帶寬,或更高的示波器。
    采用R&S RTE1104示波器和RT-ZS20 1.5 GHz的單端探頭測量前緣
    圖3 采用R&S RTE1104示波器和RT-ZS20 1.5 GHz的單端探頭測量前緣。
    圖4 捕獲的上升時間顯示為217MHz,其顯示最快邊緣速度為1.5納秒,但事實上,是在帶寬限制下測量。
    圖4 捕獲的上升時間顯示為217MHz,其顯示最快邊緣速度為1.5納秒,但事實上,是在帶寬限制下測量。
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    EMI的發生
     
    雖然沒能捕捉到實際的上升時間,我在217MHz頻率做了評估提醒鈴聲。正如你稍后將看到的,當我們開始在頻域尋找時,該諧振在帶寬中產生EMI,并導致一個峰值。無論是信號接腳和接地回路連接到R&S RT-ZS20探頭,路徑都非常短,所以提醒鈴聲并不是由探針造成,而是電路的寄生共振。
     
    接下來,我量測在電源輸入電纜傳導的EMI,且透過負載電阻顯示EMI傳導特征(圖5)。
    用Fischer F-33-1電流探頭進行高頻電流的測試。
    圖5 用Fischer F-33-1電流探頭進行高頻電流的測試。
    整個9k~30MHz的傳導發射頻段有非常高的1MHz諧波,且都發生在大約9MHz的間隔諧波上,且有些我還不確定其原生處。這些諧波在負載電阻電路上特別高,我懷疑若沒有良好質量的線性濾波器,這EMI的數值可能會使傳導輻射符合性的測試失敗。
    圖6顯示,整個9k~30MHz的傳導發射頻段有非常高的1MHz諧波,且都發生在大約9MHz的間隔諧波上,且有些我還不確定其原生處。這些諧波在負載電阻電路上特別高,我懷疑若沒有良好質量的線性濾波器,這EMI的數值可能會使傳導輻射符合性的測試失敗。
     
    圖6 用Fischer F-33-1電流探頭測量的電源輸入纜線中的高頻電流(紫線),以及10奧姆負載電阻(藍線)。黃線是環境噪聲位準,在約9 MHz的諧波頂部發生1 MHz的開關尖峰突出。從我的經驗來看,藍色線的位準令人擔憂,且可能造成傳導輻射測試的失敗。
     
    然后將帶寬從9KHz拓展到1GHz以便觀察諧波可以到多遠,然而才約600兆赫就開始漸行漸遠。請參看圖7。
    用Fischer F-33-1電流探頭測量的電源輸入纜線中的傳導輻射(紫線),以及10奧姆負載電阻(藍線),黃線是環境噪聲測量。輻射所有的出現都在600MHz,須注意共鳴約在220MHz。
    圖7 用Fischer F-33-1電流探頭測量的電源輸入纜線中的傳導輻射(紫線),以及10奧姆負載電阻(藍線),黃線是環境噪聲測量。輻射所有的出現都在600MHz,須注意共鳴約在220MHz。
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    最后,我用R&S RS H 400-1 H場(H-field)探針(圖8)來量測GaN組件附近的近場和通過負載電阻器的高頻電流(圖9)。
    使用R&S RS h400-1 H場探針測量接近GaN開關裝置近場輻射
    圖8使用R&S RS h400-1 H場探針測量接近GaN開關裝置近場輻射。
    場探針測試結果。黃線是環境噪聲位準,紫線是GaN組件附近的測量,藍線則是在10奧姆的負載電阻,輻射終于在約800MHz處逐漸減少。
    圖9 H場探針測試結果。黃線是環境噪聲位準,紫線是GaN組件附近的測量,藍線則是在10奧姆的負載電阻,輻射終于在約800MHz處逐漸減少。
     
    注意(除了所有寬帶噪聲位準,峰值出現在約220 MHz)振鈴頻率(標示1),以及在460MHz(標示2)的諧振。從過往的經驗,我喜歡把諧波位準降到40dBuV顯示行(Display Line),也就是上面幾張屏幕截圖中的綠線。兩個共振都相當接近,并因而導致“紅旗”。
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