GaN技术和潜在的EMI影响 技术, 影响

苹果也疯狂

1月出席DesignCon 2015时，我有机会听到一个由Efficient Power Conversion 公司CEO Alex Lidow主讲的有趣专题演讲，谈到以氮化镓(GaN)技术进行高功率开关组件(Switching Device)的研发。我也有幸遇到“电源完整性 --在电子系统测量、优化和故障排除电源相关参数(Power Integrity - Measuring, Optimizing, and Troubleshooting Power Related Parameters in Electronic Systems)”一书的作者Steve Sandler，他提出与测量这些设备的皮秒边沿(Picosecond Edge)速度相关联(可参看他文章索引的部分)。

由于这些新电源开关的快速开关速度与相关更高效率，因此我们希望看到他们能适用于开关模式电源和射频(RF)功率放大器。他们可广泛取代现有的金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)， 且具有较低的“On”电阻、更小的寄生电容、更小的尺寸与更快的速度。我已注意到采用这些装置的新产品，其他应用包括电信直流对直流(DC-DC)、无线 电源(Wireless Power)、激光雷达(LiDAR)和D型音频(Class D Audio)。很显然，任何半导体组件在几皮秒内切换，很可能会产生大量的电磁干扰(EMI)。为了评估这些GaN组件，Sandler安排我来测试一些评估板。一块我选择测试的是Efficient Power Conversion的半桥(Half-bridge )1MHz DC-DC降压转换器EPC9101(图1)，请参考这块测试板上的其他信息，以及一些其他的参考部分。


图1该演示板用于显示GaN的EMI。该GaN组件被圈定，我会在L1左侧测量切换的波形。

该演示板利用8至19伏特(V)电流，并将其转换为1.2伏20安培(A)(图2)，我让它运行在与10奥姆、2瓦(W)负载、10伏特电压状态。


图2 半桥DC-DC转换器的电路图，波形在L1的左端返回处被测试。

我试图用一个罗德史瓦兹(R&S)RT-ZS20 1.5 GHz的单端探头捕获边缘速率(图3)，并探测L1的切换结束，不过现有测试设备的带宽限制，以至于无法忠实捕捉。我能撷取到最好的(图4)是一个1.5 纳秒上升时间(其中，以EMI的角度来看，是相当快的开始！) 为准确地记录典型的300~500皮秒边缘速度将需要30 GHz带宽，或更高的示波器。


图3 采用R&S RTE1104示波器和RT-ZS20 1.5 GHz的单端探头测量前缘。


图4 捕获的上升时间显示为217MHz，其显示最快边缘速度为1.5纳秒，但事实上，是在带宽限制下测量。

EMI的发生
虽然没能捕捉到实际的上升时间，我在217MHz频率做了评估提醒铃声。正如你稍后将看到 的，当我们开始在频域寻找时，该谐振在带宽中产生EMI，并导致一个峰值。无论是信号接脚和接地回路连接到R＆S RT-ZS20探头，路径都非常短，所以提醒铃声并不是由探针造成，而是电路的寄生共振。

接下来，我量测在电源输入电缆传导的EMI，且透过负载电阻显示EMI传导特征(图5)。

图5 用Fischer F-33-1电流探头进行高频电流的测试。

图6显示，整个9k~30MHz的传导发射频段有非常高的1MHz谐波，且都发生在大约9MHz的间隔谐波上，且有些我还不确定其原生处。这些谐波在负载电阻电路上特别高，我怀疑若没有良好质量的线性滤波器，这EMI的数值可能会使传导辐射符合性的测试失败。


图6 用Fischer F-33-1电流探头测量的电源输入缆线中的高频电流(紫线)，以及10奥姆负载电阻(蓝线)。黄线是环境噪声位准，在约9 MHz的谐波顶部发生1 MHz的开关尖峰突出。从我的经验来看，蓝色线的位准令人担忧，且可能造成传导辐射测试的失败。

然后将带宽从9KHz拓展到1GHz以便观察谐波可以到多远，然而才约600兆赫就开始渐行渐远。请参看图7。


图7 用Fischer F-33-1电流探头测量的电源输入缆线中的传导辐射(紫线)，以及10奥姆负载电阻(蓝线)，黄线是环境噪声测量。辐射所有的出现都在600MHz，须注意共鸣约在220MHz。
最后，我用R&S RS H 400-1 H场(H-field)探针(图8)来量测GaN组件附近的近场和通过负载电阻器的高频电流(图9)。


图8使用R＆S RS h400-1 H场探针测量接近GaN开关装置近场辐射。


图9 H场探针测试结果。黄线是环境噪声位准，紫线是GaN组件附近的测量，蓝线则是在10奥姆的负载电阻，辐射终于在约800MHz处逐渐减少。

注 意(除了所有宽带噪声位准，峰值出现在约220 MHz)振铃频率(标示1)，以及在460MHz(标示2)的谐振。从过往的经验，我喜欢把谐波位准降到40dBuV显示行(Display Line)，也就是上面几张屏幕截图中的绿线。两个共振都相当接近，并因而导致“红旗”。

GaN组件价值显著

GaN 功率开关的价值很明显，效率也比MOSFET来得好。虽然GaN技术已问世，但我只看到少部分数据谈论这些皮秒开关装置如何影响产品EMI的发生。底下我 列出了一些参考，以及在使用GaN组件时，会“扫大家兴”的部分，但我相信有更多研究需要去完成EMI会发生的后果，至于EMI工程师与顾问在未来几年也 将可望采用GaN组件。