如何利用功率半導(dǎo)體技術(shù)來(lái)降低輻射EMI

新的功率半導(dǎo)體技術(shù)（如SiC和GaN）可實(shí)現(xiàn)更高的效率和開(kāi)關(guān)頻率，從而實(shí)現(xiàn)更小的元器件尺寸。但這些改進(jìn)是以更大的輻射電磁發(fā)射為代價(jià)的，而與此同時(shí)，EMC法規(guī)正變得越來(lái)越嚴(yán)格。工程師如何才能有效地降低輻射EMI？

從提高可再生能源的成本平價(jià)，到使我們每個(gè)人都能擁有一臺(tái)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、始終在線的通信設(shè)備，再到為物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行供電和連接，高效率的電源轉(zhuǎn)換和普遍存在的無(wú)線連接將是深刻影響可持續(xù)性和生活標(biāo)準(zhǔn)的兩個(gè)趨勢(shì)。

另一方面，為確保設(shè)備滿足電磁兼容性（EMC）法規(guī)，兩者都存在更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。它們需要在目標(biāo)環(huán)境中正常運(yùn)行，同時(shí)又不會(huì)干擾附近的其他設(shè)備。此外，隨著高速開(kāi)關(guān)和高頻RF設(shè)備擠占電磁環(huán)境，全球主要市場(chǎng)的EMC法規(guī)正變得越來(lái)越嚴(yán)格。

展望未來(lái)，網(wǎng)聯(lián)汽車等創(chuàng)新技術(shù)有望使競(jìng)爭(zhēng)進(jìn)一步加劇，為圍繞日常消費(fèi)級(jí)電氣設(shè)備的EMC問(wèn)題增加一個(gè)安全關(guān)鍵性方面。

寬帶隙效應(yīng)

在電源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)正在進(jìn)行商業(yè)化，以提高傳統(tǒng)硅器件的性能：傳導(dǎo)損耗更低，芯片尺寸可以降低，進(jìn)而成本可以降低，擊穿電壓更高，溫度性能增加，更快的開(kāi)關(guān)速度可使用更小的平滑和去耦元件。

然而，盡管開(kāi)關(guān)頻率增加可實(shí)現(xiàn)更大的功率密度和更低的能量損耗，但皮秒級(jí)的開(kāi)關(guān)沿會(huì)使諧波深入到射頻領(lǐng)域。新功率器件的壓擺率會(huì)比傳統(tǒng)硅器件高得多：例如，與標(biāo)準(zhǔn)MOSFET 0-10V的柵極電壓相比，為確保SiC器件的可靠開(kāi)關(guān)，其柵極電壓必須在+15V和-3V之間擺動(dòng)，此外，如果使用較高的直流母線電壓來(lái)提高效率，晶體管兩端的dV/dt也會(huì)很高。對(duì)于大約1MHz的開(kāi)關(guān)頻率，相關(guān)諧波的幅度即使對(duì)于高達(dá)幾百M(fèi)Hz的頻率也會(huì)很麻煩。為確保符合EMC標(biāo)準(zhǔn)，這些問(wèn)題必須得到處理。

與此同時(shí)，隨著應(yīng)用和使用趨勢(shì)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的設(shè)備不可避免地在鄰近區(qū)域內(nèi)共存，EMC法規(guī)正變得越來(lái)越嚴(yán)格。這些無(wú)線設(shè)備將會(huì)越來(lái)越多，包括移動(dòng)設(shè)備、平板電腦和物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，它們通過(guò)蜂窩、WLAN、PAN、LPWAN或sub-GHz RF、GSM / CDMA、2.4GHz或5GHz Wi-Fi或 2.4GHz的Bluetooth? 5等其他各種頻段實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接。

最新的歐盟EMC指令2014/30/EU提供了一個(gè)很好的例子。修訂后的技術(shù)限制要求降低傳導(dǎo)和輻射發(fā)射，提高抗擾度，以證明合規(guī)性。歐盟的新立法框架更加重視市場(chǎng)監(jiān)督，以便發(fā)現(xiàn)和排除不合規(guī)產(chǎn)品的銷售。

EMC指令2014/30/EU中引用了各種技術(shù)規(guī)范，包括鐵路信號(hào)設(shè)備用EN 50121-4、電力設(shè)備用50121-5、家用電氣產(chǎn)品和設(shè)備用EN 55014，以及IT設(shè)備和多媒體設(shè)備用EN 55022和55032等新文件。滿足這些技術(shù)規(guī)范是證明合規(guī)性的一個(gè)方面，另一個(gè)方面則是保持令人滿意的文件。

在北美，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）已在其第15部分立法中規(guī)定了EMC要求。對(duì)于輕工業(yè)和工業(yè)應(yīng)用，分別使用國(guó)際IEC 61000-6-3和IEC 61000-6-4 EMC標(biāo)準(zhǔn)。

應(yīng)對(duì)電源噪聲

因此，隨著電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)推動(dòng)開(kāi)關(guān)頻率升高，而使噪聲信號(hào)進(jìn)入ISM無(wú)線電頻段或者附近，EMC合規(guī)性變得越來(lái)越重要但更難實(shí)現(xiàn)。

歷史上，包含傳統(tǒng)硅IGBT或MOSFET的開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的典型噪聲頻譜，涵蓋大約10kHz至50MHz的頻率范圍。其中大部分都在CISPR/CENELEC和FCC噪聲標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的傳導(dǎo)發(fā)射范圍（9kHz至30MHz）內(nèi)。

傳導(dǎo)噪聲可以以差模噪聲（也稱為正常模式）或共模噪聲的形式存在，并在電源和電源線或信號(hào)線之間耦合。差模噪聲是因設(shè)備預(yù)期運(yùn)行而產(chǎn)生，并跟隨信號(hào)線或電源線流動(dòng)，而共模噪聲是在信號(hào)線或電源線和非預(yù)期傳導(dǎo)路徑（例如機(jī)殼部件或大地）之間耦合。

傳導(dǎo)噪聲通常通過(guò)插入包含電容器和/或電感器的電源線或信號(hào)濾波器來(lái)處理。通常，電容器面向高阻抗電路——可能是電源或負(fù)載——而電感器則用來(lái)連接低阻抗電路。如果電源和負(fù)載都是高阻抗，則可以使用純電容濾波器，或使用π型濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)更陡的頻率響應(yīng)。

基美電子（KEMET）具有配置用于衰減正常模式或共模噪聲的內(nèi)聯(lián)EMI/RFI濾波器或扼流圈，以及在單個(gè)器件中結(jié)合這兩個(gè)任務(wù)，從而可節(jié)省空間和BOM成本的雙模式版本。

全球標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)已制定無(wú)源濾波器規(guī)范，例如基于IEC 60939的歐洲EN 60939規(guī)范，以及適用于美國(guó)的UL 1283或MIL-F-15733。基美電子的濾波器符合適用標(biāo)準(zhǔn)，可提供各種配置，包括單相或三相、機(jī)殼安裝、電路板安裝或饋通濾波器，電流額定值從低于1A至2500A。對(duì)于必須符合EN 55015發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)而能在歐盟市場(chǎng)上銷售的醫(yī)療設(shè)備或照明設(shè)備等應(yīng)用，還有一些特殊的濾波器。

衰減高頻噪聲

北美標(biāo)準(zhǔn)和歐洲標(biāo)準(zhǔn)將頻率高于30MHz的干擾信號(hào)歸類為輻射發(fā)射。主要的輻射源包括電纜和設(shè)計(jì)不良的PCB走線。工程師應(yīng)始終采用最佳設(shè)計(jì)實(shí)踐，包括盡可能縮短這些電纜和走線，并在電路板上將任何傳送信號(hào)對(duì)的走線緊密地布置在一起。但是，這種方法并不總是能夠解決EMC挑戰(zhàn)，我們需要采取額外措施來(lái)衰減高頻噪聲信號(hào)。

從根本上說(shuō)，處理輻射噪聲的策略是，通過(guò)施加磁損耗來(lái)將高頻噪聲能量轉(zhuǎn)換為熱量。例如，將電纜穿過(guò)鐵氧體磁芯，可以衰減高頻輻射EMI。 由于電纜的自感，導(dǎo)磁鐵芯與共模噪聲電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用，而在高頻下呈現(xiàn)高阻抗。將電纜多次穿過(guò)磁芯，可增加任何給定頻率的噪聲衰減。差模電流和低頻信號(hào)電流產(chǎn)生的磁通量最小，因此衰減很小。

基美電子擁有大量鐵氧體磁芯，采用錳鋅（Mn-Zn）和鎳鋅（Ni-Zn）配方。錳鋅鐵氧體在低頻下具有非常高的磁導(dǎo)率，因而廣泛用于衰減10kHz至約50MHz的噪聲頻率。另一方面，鎳鋅鐵氧體在低頻時(shí)不產(chǎn)生高阻抗，因此當(dāng)大多數(shù)不期望的噪聲高于10-20MHz時(shí)最常用。當(dāng)然，隨著SiC和GaN技術(shù)的到來(lái)，電源開(kāi)關(guān)頻率的增加，人們對(duì)這個(gè)頻率范圍的興趣也增加。

柔性屏蔽解決方案

PCB走線等其他高頻噪聲輻射源，必須以不同的方式——通常采用某種形式的屏蔽——來(lái)解決。接地金屬屏蔽很有效，但會(huì)增加成本和小外殼，而可能無(wú)法為屏蔽及其機(jī)械固定和接地連接提供足夠的空間。如果在項(xiàng)目后期才發(fā)現(xiàn)噪聲問(wèn)題，可能沒(méi)有時(shí)間設(shè)計(jì)這樣的元件。

由高磁導(dǎo)率磁性材料制成的柔性屏蔽材料（圖1），可提供方便經(jīng)濟(jì)的解決方案。這種方法廣為認(rèn)可，實(shí)際上，用于測(cè)量其電磁特性的方法，已在IEC 62333中進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。該標(biāo)準(zhǔn)旨在確保板材制造商清楚地展示其產(chǎn)品的性能，而使最終用戶可在實(shí)踐中獲得可比較的結(jié)果。

圖1：抑制板材的組成結(jié)合了能量吸收特性和靈活性。

基美電子的柔性抑制材料（Flex Suppressor）符合IEC 62333標(biāo)準(zhǔn)，可有效衰減1GHz以上的頻率。設(shè)計(jì)人員可以將材料修整到合適的尺寸和形狀，來(lái)屏蔽特定的電路功能（例如功率開(kāi)關(guān)級(jí)），來(lái)吸收輻射或防止外部干擾。它可以被固定在外殼內(nèi)部，靠近有問(wèn)題的電路，或者固定在其他位置（例如緊密堆疊的電路板之間），從而防止串?dāng)_。該材料也可以纏繞在電纜周圍，以類似于鐵氧體扼流圈的方式工作。

其他成熟應(yīng)用包括ESD保護(hù)、無(wú)線充電和RFID范圍增強(qiáng)，以及在筆記本電腦和移動(dòng)設(shè)備等多無(wú)線電設(shè)備中，通過(guò)防止反射干擾來(lái)抵消接收器靈敏度降低。Flex Suppressor有幾種滲透率等級(jí)，為設(shè)計(jì)人員提供了各種噪聲頻率的有效選擇。它們包括相對(duì)磁導(dǎo)率為60的標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)和值為130的超高磁導(dǎo)率材料。還有值為20的超低磁導(dǎo)率版本，可在Wi-Fi頻率范圍內(nèi)提供極高的噪聲衰減。

總結(jié)

高頻噪聲源和更嚴(yán)格的法規(guī)，對(duì)設(shè)法在其最新設(shè)計(jì)中使用寬帶隙半導(dǎo)體的電源設(shè)計(jì)人員構(gòu)成挑戰(zhàn)。鐵氧體磁芯和高磁導(dǎo)率抑制材料正在不斷發(fā)展，以期抵抗頻率高達(dá)1GHz甚至更高的輻射噪聲。
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