了解 GaN 的電磁兼容性EMI

氮化鎵 (GaN) 晶體管開關(guān)速度快！在工作臺(tái)上，我測(cè)量了每納秒 40V 的開關(guān)節(jié)點(diǎn) dv/dt！這比我使用的典型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器高約 30 倍，雖然這有助于降低開關(guān)損耗，但它確實(shí)使?jié)M足電磁兼容性 (EMC) 的挑戰(zhàn)更加困難。為什么？因?yàn)殡妷汉碗娏鞯淖兓蕰?huì)激活寄生電路元件，從而產(chǎn)生輻射和傳導(dǎo)噪聲的噪聲源。

經(jīng)驗(yàn)豐富的電源設(shè)計(jì)人員知道，在最大限度地降低開關(guān)模式電源 (SMPS) 電磁干擾 (EMI) 時(shí)，他們必須仔細(xì)考慮組件選擇、組件布局和電路板走線布線。隨著寬帶隙晶體管及其皮秒開關(guān)速度的引入，通過對(duì) EMC 的機(jī)構(gòu)要求（例如來自 FCC 和 CISPR 的要求）的挑戰(zhàn)變得更加困難——變得更加困難。用較慢的 MOSFET 晶體管表現(xiàn)良好的寄生電路元件和 PCB 天線結(jié)構(gòu)在用 GaN 晶體管代替時(shí)，其活性可以提高 10 到 100 倍。

好消息是，在前往 EMC 認(rèn)證實(shí)驗(yàn)室之前，有一些低成本的方法可以幫助在工作臺(tái)上可視化和隔離問題。最終，這些工具將有助于加速 GaN 設(shè)計(jì)的 EMC。在這篇文章中，我將研究一些可以用來解決問題的設(shè)備；稍后，在后續(xù)帖子中，我將對(duì)解決方案進(jìn)行限定。

測(cè)量 EMI 所需的第一臺(tái)設(shè)備是頻譜分析儀 (SA)?？梢栽?1,500 美元左右找到可接受的性能。在我的工作臺(tái)上，我使用的是 MDO4104-6 混合域（時(shí)間和頻譜域）示波器，SA 輸入可以達(dá)到 6GHz。我還使用電場(chǎng)和磁場(chǎng)探頭來定位板上的問題區(qū)域——圖 1 顯示了 MDO4104-6 和場(chǎng)探頭。

選擇 H 場(chǎng)和 E 場(chǎng)探頭屏蔽時(shí)，分辨率和靈敏度很重要。多年前， 有一種“EMI 嗅探器”探頭，能夠在 PCB 跡線級(jí)定位 EMI 問題——空間分辨率約為 1mm。圖 1 還顯示了一個(gè)橫向電磁開路 (TEM) 單元，我使用它來快速確定 SMPS 設(shè)計(jì)的好壞。TEM 是一種多功能、低成本且（在我看來）用于預(yù)合規(guī)輻射發(fā)射測(cè)試的必要設(shè)備。有關(guān)TEM 如何工作以及如何構(gòu)建 TEM 的詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱這篇出色的文章。

TEM 是一個(gè)雙端口條形線設(shè)備，其中中心板（稱為隔膜）夾在兩個(gè)接地平面之間（在這種情況下是開放的，因此并不完美）并設(shè)計(jì)為 50Ω。圖 2 顯示了被測(cè)設(shè)備 (DUT) 和 SA 之間的連接。EMI 的機(jī)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)單位為 dBμV（傳導(dǎo)發(fā)射）和 dBμV/米（輻射發(fā)射）。請(qǐng)注意，當(dāng)使用圖 2 所示的設(shè)置測(cè)量輻射發(fā)射時(shí)，SA 將以 dBμV 為單位顯示發(fā)射。將此 dBμV 測(cè)量值轉(zhuǎn)換為以 dBμV/米為單位的有效讀數(shù)的過程和數(shù)學(xué)是復(fù)雜的，即使正確完成（在所有三個(gè)排序中），與經(jīng)過認(rèn)證的實(shí)驗(yàn)室的相關(guān)性也只有大約 6dB。出于這個(gè)原因，我更喜歡使用 TEM 進(jìn)行“定性測(cè)量”。

例如，給定 TEM 單元的幾何形狀，如果 SA 顯示的雜散大于 40dBμV，則在經(jīng)過認(rèn)證的 EMC 室中存在輻射發(fā)射失敗的可能性。此外，PCB 板諧振峰值可能特別成問題，并且會(huì)使原本良好的設(shè)計(jì)無法發(fā)射。

圖 1：使用LMG5200在 1MHz 和 24W 下將 24V 轉(zhuǎn)換為 12V 的TEM 單元測(cè)量設(shè)置

圖 2：為發(fā)射測(cè)試配置 DUT

圖 3 顯示了 SA 在 500kHz 和 1GHz 之間看到的情況，其中LMG5200 EVM在空載和 24W 下將 24V 轉(zhuǎn)換為 12V。下面的黑色軌跡代表環(huán)境噪聲。上部黑色跡線是LMG5200開關(guān)，但沒有負(fù)載，棕色跡線帶有 24W 直流負(fù)載 - 事實(shí)上上部黑色跡線和棕色跡線之間的差異相對(duì)較小，這表明我預(yù)先存在的情況能夠使用我的現(xiàn)場(chǎng)探頭隔離輸入電容。250MHz 諧振的峰值超過 62dBμV - 大約是我去合規(guī)實(shí)驗(yàn)室之前通常接受的值的 100 倍。

圖 3：LMG5200以 1MHz 運(yùn)行 - 棕色 24W 負(fù)載，上黑色空載，下黑色跡線環(huán)境噪聲

出于比較目的，圖 4 顯示了一個(gè) EMC 優(yōu)化的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，它以兩倍的頻率 (2MHz) 工作，在 2A 時(shí)將 15V 轉(zhuǎn)換為 7.5V。開關(guān)節(jié)點(diǎn)的上升時(shí)間約為 10ns 或比LMG5200慢約 10 倍。峰值為 42dBμV，發(fā)射比上述情況少 100 倍。

圖 4：針對(duì)工作頻率為 2MHz 的 EMI 優(yōu)化的 15V 至 7.5V（15W，50% 占空比）DC/DC 轉(zhuǎn)換器。 與600ps相比，開關(guān)節(jié)點(diǎn)的上升時(shí)間僅為10ns。

由于寬帶隙半導(dǎo)體具有更快的開關(guān)邊沿，寄生阻抗、PCB 和元件阻抗將變得越來越成問題。為了理解和量化這種影響，RF 測(cè)試設(shè)備和技術(shù)知識(shí)將是必要的。像 TEM 單元和場(chǎng)探頭這樣的工具對(duì)于使用這項(xiàng)技術(shù)的任何人來說都是有效且必不可少的，因?yàn)槟梢允褂盟鼈儊響{經(jīng)驗(yàn)隔離 EMI，以進(jìn)行預(yù)合規(guī)性輻射發(fā)射測(cè)試。