GaN技術(shù)和潛在的EMI影響詳細(xì)教程講解

1月出席DesignCon 2015時(shí)，我有機(jī)會(huì)聽(tīng)到一個(gè)由Efficient Power Conversion 公司CEO Alex Lidow主講的有趣專(zhuān)題演講，談到以氮化鎵（GaN）技術(shù)進(jìn)行高功率開(kāi)關(guān)組件（Switching Device）的研發(fā)。我也有幸遇到“電源完整性 --在電子系統(tǒng)測(cè)量、優(yōu)化和故障排除電源相關(guān)參數(shù)（Power Integrity - Measuring， Optimizing， and Troubleshooting Power Related Parameters in Electronic Systems）”一書(shū)的作者Steve Sandler，他提出與測(cè)量這些設(shè)備的皮秒邊沿（Picosecond Edge）速度相關(guān)聯(lián)（可參看他文章索引的部分）。

由于這些新電源開(kāi)關(guān)的快速開(kāi)關(guān)速度與相關(guān)更高效率，因此我們希望看到他們能適用于開(kāi)關(guān)模式電源和射頻（RF）功率放大器。他們可廣泛取代現(xiàn)有的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)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(chǎn)品，其他應(yīng)用包括電信直流對(duì)直流（DC-DC）、無(wú)線(xiàn) 電源（Wireless Power）、激光雷達(dá)（LiDAR）和D型音頻（Class D Audio）。很顯然，任何半導(dǎo)體組件在幾皮秒內(nèi)切換，很可能會(huì)產(chǎn)生大量的電磁干擾（EMI）。為了評(píng)估這些GaN組件，Sandler安排我來(lái)測(cè)試一些評(píng)估板。一塊我選擇測(cè)試的是Efficient Power Conversion的半橋（Half-bridge ）1MHz DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器EPC9101（圖1），請(qǐng)參考這塊測(cè)試板上的其他信息，以及一些其他的參考部分。

圖1該演示板用于顯示GaN的EMI。該GaN組件被圈定，我會(huì)在L1左側(cè)測(cè)量切換的波形。

該演示板利用8至19伏特（V）電流，并將其轉(zhuǎn)換為1.2伏20安培（A）（圖2），我讓它運(yùn)行在與10奧姆、2瓦（W）負(fù)載、10伏特電壓狀態(tài)。

圖2 半橋DC-DC轉(zhuǎn)換器的電路圖，波形在L1的左端返回處被測(cè)試。

我試圖用一個(gè)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(cè)L1的切換結(jié)束，不過(guò)現(xiàn)有測(cè)試設(shè)備的帶寬限制，以至于無(wú)法忠實(shí)捕捉。我能擷取到最好的（圖4）是一個(gè)1.5 納秒上升時(shí)間（其中，以EMI的角度來(lái)看，是相當(dāng)快的開(kāi)始?。?為準(zhǔn)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。

圖3 采用R&S RTE1104示波器和RT-ZS20 1.5 GHz的單端探頭測(cè)量前緣。

圖4 捕獲的上升時(shí)間顯示為217MHz，其顯示最快邊緣速度為1.5納秒，但事實(shí)上，是在帶寬限制下測(cè)量。

EMI的發(fā)生

雖然沒(méi)能捕捉到實(shí)際的上升時(shí)間，我在217MHz頻率做了評(píng)估提醒鈴聲。正如你稍后將看到 的，當(dāng)我們開(kāi)始在頻域?qū)ふ視r(shí)，該諧振在帶寬中產(chǎn)生EMI，并導(dǎo)致一個(gè)峰值。無(wú)論是信號(hào)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(lái)，我量測(cè)在電源輸入電纜傳導(dǎo)的EMI，且透過(guò)負(fù)載電阻顯示EMI傳導(dǎo)特征（圖5）。

圖5 用Fischer F-33-1電流探頭進(jìn)行高頻電流的測(cè)試。

圖6顯示，整個(gè)9k~30MHz的傳導(dǎo)發(fā)射頻段有非常高的1MHz諧波，且都發(fā)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(fù)載電阻電路上特別高，我懷疑若沒(méi)有良好質(zhì)量的線(xiàn)性濾波器，這EMI的數(shù)值可能會(huì)使傳導(dǎo)輻射符合性的測(cè)試失敗。

圖6 用Fischer F-33-1電流探頭測(cè)量的電源輸入纜線(xiàn)中的高頻電流（紫線(xiàn)），以及10奧姆負(fù)載電阻（藍(lán)線(xiàn)）。黃線(xiàn)是環(huán)境噪聲位準(zhǔn)，在約9 MHz的諧波頂部發(fā)生1 MHz的開(kāi)關(guān)尖峰突出。從我的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，藍(lán)色線(xiàn)的位準(zhǔn)令人擔(dān)憂(yōu)，且可能造成傳導(dǎo)輻射測(cè)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(yuǎn)，然而才約600兆赫就開(kāi)始漸行漸遠(yuǎn)。請(qǐng)參看圖7。

圖7 用Fischer F-33-1電流探頭測(cè)量的電源輸入纜線(xiàn)中的傳導(dǎo)輻射（紫線(xiàn)），以及10奧姆負(fù)載電阻（藍(lán)線(xiàn)），黃線(xiàn)是環(huán)境噪聲測(cè)量。輻射所有的出現(xiàn)都在600MHz，須注意共鳴約在220MHz。

最后，我用R&S RS H 400-1 H場(chǎng)（H-field）探針（圖8）來(lái)量測(cè)GaN組件附近的近場(chǎng)和通過(guò)負(fù)載電阻器的高頻電流（圖9）。

圖8使用R＆S RS h400-1 H場(chǎng)探針測(cè)量接近GaN開(kāi)關(guān)裝置近場(chǎng)輻射。

圖9 H場(chǎng)探針測(cè)試結(jié)果。黃線(xiàn)是環(huán)境噪聲位準(zhǔn)，紫線(xiàn)是GaN組件附近的測(cè)量，藍(lán)線(xiàn)則是在10奧姆的負(fù)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(zhǔn)，峰值出現(xiàn)在約220 MHz）振鈴頻率（標(biāo)示1），以及在460MHz（標(biāo)示2）的諧振。從過(guò)往的經(jīng)驗(yàn)，我喜歡把諧波位準(zhǔn)降到40dBuV顯示行（Display Line），也就是上面幾張屏幕截圖中的綠線(xiàn)。兩個(gè)共振都相當(dāng)接近，并因而導(dǎo)致“紅旗”。

GaN組件價(jià)值顯著

GaN 功率開(kāi)關(guān)的價(jià)值很明顯，效率也比MOSFET來(lái)得好。雖然GaN技術(shù)已問(wèn)世，但我只看到少部分?jǐn)?shù)據(jù)談?wù)撨@些皮秒開(kāi)關(guān)裝置如何影響產(chǎn)品EMI的發(fā)生。底下我 列出了一些參考，以及在使用GaN組件時(shí)，會(huì)“掃大家興”的部分，但我相信有更多研究需要去完成EMI會(huì)發(fā)生的后果，至于EMI工程師與顧問(wèn)在未來(lái)幾年也 將可望采用GaN組件。